Design pro vyrobitelnost - Design for manufacturability

Přepracováno z důvodu vyrobitelnosti

Design pro vyrobitelnost (někdy také známý jako design pro výrobu nebo DFM ) je obecná inženýrská praxe navrhování produktů takovým způsobem, že se snadno vyrábějí. Koncept existuje téměř ve všech inženýrských oborech, ale implementace se velmi liší v závislosti na výrobní technologii. DFM popisuje proces navrhování nebo inženýrství produktu za účelem usnadnění výrobního procesu za účelem snížení jeho výrobních nákladů. Služba DFM umožní vyřešit potenciální problémy ve fázi návrhu, což je nejméně nákladné místo pro jejich řešení. Na vyrobitelnost mohou mít vliv další faktory, jako je typ suroviny, forma suroviny, rozměrové tolerance a sekundární zpracování, jako je konečná úprava.

V závislosti na různých typech výrobních procesů jsou stanoveny pokyny pro postupy DFM. Tyto pokyny DFM pomáhají přesně definovat různé tolerance, pravidla a běžné výrobní kontroly související s DFM.

I když je DFM použitelný na proces návrhu, v mnoha organizacích se také praktikuje podobný koncept s názvem DFSS (Design for Six Sigma).

Pro desky s plošnými spoji (PCB)

V procesu návrhu desky plošných spojů vede DFM k souboru návrhových pokynů, které se pokoušejí zajistit vyrobitelnost. Tímto způsobem lze řešit pravděpodobné výrobní problémy během fáze návrhu.

V ideálním případě pokyny DFM zohledňují procesy a schopnosti zpracovatelského průmyslu. Proto se DFM neustále vyvíjí.

Jak se výrobní společnosti vyvíjejí a automatizují stále více fází procesů, tyto procesy zpravidla zlevňují. Ke snížení těchto nákladů se obvykle používá služba DFM. Například pokud proces může být prováděn automaticky stroji (tj. Umísťování a pájení součástek SMT ), bude takový proces pravděpodobně levnější než ruční postup.

Pro integrované obvody (IC)

Dosažení vysoce výnosných návrhů se VLSI technologie stala díky moderní miniaturizaci a složitosti špičkových produktů mimořádně náročným úkolem. Metodika DFM zde zahrnuje sadu technik k úpravě návrhu integrovaných obvodů (IC), aby byly vyrobitelnější, tj. Ke zlepšení jejich funkčního výnosu, parametrického výtěžku nebo jejich spolehlivosti.

Pozadí

Tradičně v éře před nanometrem sestával DFM ze souboru různých metodik, které se snažily prosadit některá měkká (doporučená) pravidla návrhu týkající se tvarů a polygonů fyzického uspořádání integrovaného obvodu . Tyto metodiky DFM fungovaly primárně na úrovni celého čipu. Kromě toho byly použity simulace nejhoršího případu na různých úrovních abstrakce, aby se minimalizoval dopad variací procesu na výkon a další typy parametrické ztráty výtěžku. Všechny tyto různé typy simulací nejhorších případů byly v zásadě založeny na základní sadě souborů parametrů zařízení SPICE v nejhorším případě (nebo rohu), které měly představovat variabilitu výkonu tranzistoru v celém rozsahu variací ve výrobním procesu.

Taxonomie mechanismů ztráty výnosů

Nejdůležitější modely ztráty výnosů (YLM) pro integrované obvody VLSI lze podle jejich povahy rozdělit do několika kategorií.

  • Ztráta funkčního výtěžku je stále dominantním faktorem a je způsobena mechanismy, jako je chybné zpracování (např. Problémy související se zařízením), systematické efekty, jako jsou problémy s tisknutelností nebo planarizací, a čistě náhodné vady.
  • Vysoce výkonné produkty mohou vykazovat parametrické konstrukční okraje způsobené fluktuacemi procesu nebo faktory prostředí (jako je napájecí napětí nebo teplota).
  • Tyto ztráty výtěžku Zkušební související , které jsou způsobeny nesprávným testování, může také hrát významnou roli.

Techniky

Po pochopení příčin ztráty výtěžku je dalším krokem učinit návrh co nejodolnější. K tomu se používají následující techniky:

  • Nahrazení buněk s vyšším výnosem tam, kde to umožňuje načasování, výkon a směrovatelnost.
  • Změna rozteče a šířky propojovacích vodičů, pokud je to možné
  • Optimalizace množství redundance v interních pamětí.
  • Pokud je to možné, nahrazujte v návrhu odolné proti chybám (redundantní)

To vše vyžaduje podrobné porozumění mechanismům ztráty výnosů, protože tyto změny se navzájem obchodují. Například zavedení redundantních průchodů sníží pravděpodobnost průniků problémů, ale zvýší pravděpodobnost nechtěných zkratů. To, zda je to dobrý nápad, tedy záleží na detailech modelů ztráty výnosů a vlastnostech konkrétního designu.

Pro CNC obrábění

Objektivní

Cílem je navrhnout za nižší cenu. Cena je poháněna časem, takže návrh musí minimalizovat čas potřebný nejen k obrábění (úběru materiálu), ale také k nastavení času CNC stroje , NC programování, upínání a mnoha dalších aktivit, které jsou závislé na složitost a velikost dílu.

Doba nastavení operací (převrácení součásti)

Pokud se nepoužívá 4. a / nebo 5. osa, může CNC přistupovat k dílu pouze z jednoho směru. Jedna strana musí být obrobena najednou (nazývá se operace nebo operace). Poté musí být díl překlopen ze strany na stranu, aby byly zpracovány všechny funkce. Geometrie prvků určuje, zda musí být díl převrácen nebo ne. Čím více operací (převrácení součásti), tím dražší je část, protože jí zabere podstatná doba „nastavení“ a „načtení / vyložení“.

Každá operace (otočení součásti) má čas nastavení, čas stroje, čas na načtení / vyložení nástrojů, čas na načtení / vyložení dílů a čas na vytvoření NC programu pro každou operaci. Pokud má díl pouze 1 operaci, pak musí být díly vloženy / vyloženy pouze jednou. Pokud má 5 operací, pak je doba načítání / vykládání významná.

Nízko visící ovoce minimalizuje počet operací (otočení dílu), aby se dosáhlo významných úspor. Například může trvat jen 2 minuty, než se obličej malé části opracuje, ale bude to trvat hodinu, než to stroj nastaví. Nebo pokud existuje 5 operací po 1,5 hodině, ale pouze 30 minut celkového času stroje, pak je za pouhých 30 minut obrábění účtováno 7,5 hodin.

A konečně, objem (počet dílů na stroji) hraje rozhodující roli při amortizaci doby nastavení, času programování a dalších činností do nákladů na část. Ve výše uvedeném příkladu by část v množství 10 mohla stát 7–10násobek nákladů v množství 100.

Zákon snižujících se výnosů se obvykle projevuje na objemech 100–300, protože časy nastavení, vlastní nástroje a upínání lze amortizovat do šumu.

Typ materiálu

Mezi nejsnadněji opracovávané druhy kovů patří hliník , mosaz a měkčí kovy. Jak jsou materiály tvrdší, hustší a pevnější, jako je ocel , nerezová ocel , titan a exotické slitiny, jejich obrábění je mnohem obtížnější a trvá mnohem déle, takže jsou méně vyrobitelné. Většina druhů plastů se snadno zpracovává, i když přídavek skleněných vláken nebo uhlíkových vláken může snížit obrobitelnost. Plasty, které jsou obzvláště měkké a gumovité, mohou mít vlastní problémy s obrobitelností.

Materiální forma

Kovy přicházejí ve všech formách. V případě hliníku jsou například tyčový materiál a deska dvě nejběžnější formy, ze kterých se vyrábějí obráběné součásti. Velikost a tvar součásti může určit, která forma materiálu musí být použita. Pro technické výkresy je běžné specifikovat jeden formulář nad druhým. Barová zásoba se obecně blíží 1/2 ceny talíře na bázi za libru. Ačkoli forma materiálu přímo nesouvisí s geometrií součásti, náklady lze odstranit ve fázi návrhu zadáním nejméně nákladné formy materiálu.

Tolerance

Významným faktorem přispívajícím k ceně obráběné součásti je geometrická tolerance, ke které musí být prvky provedeny. Čím přísnější je požadovaná tolerance, tím dražší bude součástka pro obrábění. Při návrhu určete nejvolnější toleranci, která bude sloužit funkci komponenty. Tolerance musí být specifikovány pro jednotlivé prvky. Existují kreativní způsoby, jak navrhnout komponenty s nižšími tolerancemi, které stále fungují, a komponenty s vyššími tolerancemi.

Design a tvar

Protože je obrábění subtraktivním procesem, je doba pro odstranění materiálu hlavním faktorem při určování nákladů na obrábění. Objem a tvar materiálu, který má být odstraněn, stejně jako rychlost podávání nástrojů závisí na době obrábění. Při použití fréz bude při určování této rychlosti hrát největší roli pevnost a tuhost nástroje, která je částečně určena poměrem délky k průměru nástroje. Čím kratší je nástroj vzhledem k jeho průměru, tím rychleji jej lze protáhnout materiálem. Optimální je poměr 3: 1 (L: D) nebo nižší. Pokud nelze tohoto poměru dosáhnout, lze použít řešení, jako je toto zde zobrazené. U děr je poměr délky k průměru nástrojů méně kritický, měl by se ale stále udržovat pod 10: 1.

Existuje mnoho dalších typů funkcí, jejichž obrábění je více či méně nákladné. Obecně zkosení stojí za obrábění méně než poloměry na vnějších vodorovných hranách. 3D interpolace se používá k vytvoření poloměrů na hranách, které nejsou ve stejné rovině, což má 10násobnou cenu. Podříznutí je strojově náročnější. Funkce, které vyžadují menší nástroje, bez ohledu na poměr L: D, jsou dražší.

Design pro kontrolu

Koncept Design for Inspection (DFI) by se měl doplňovat a pracovat ve spolupráci s Design for Manufacturability (DFM) a Design for Assembly (DFA), aby se snížily výrobní náklady na produkt a zvýšila se praktická výroba. Existují případy, kdy by tato metoda mohla způsobit zpoždění kalendáře, protože spotřebovává mnoho hodin další práce, například v případě potřeby připravit prezentace a dokumenty pro kontrolu návrhu. Za tímto účelem se navrhuje, aby namísto pravidelných inspekcí mohly organizace přijmout rámec zmocnění, zejména ve fázi vývoje produktu, kde vrcholový management zmocňuje vedoucího projektu k vyhodnocení výrobních procesů a výsledků oproti očekávání týkajícím se výkonu produktu, nákladů , kvalita a doba vývoje. Odborníci však uvádějí nutnost použití DFI, protože je zásadní pro výkon a kontrolu kvality a určuje klíčové faktory, jako je spolehlivost produktu, bezpečnost a životní cykly. Pro leteckou kosmickou společnost, kde je kontrola povinná, existuje požadavek na vhodnost výrobního procesu pro kontrolu. Zde je přijat mechanismus, jako je index kontrolovatelnosti, který hodnotí návrhové návrhy. Dalším příkladem DFI je koncept kumulativního počtu vyhovujícího grafu (graf CCC), který se používá při plánování inspekcí a údržby u systémů, kde jsou k dispozici různé typy inspekcí a údržby.

Design pro aditivní výrobu

Hlavní článek: Design pro aditivní výrobu

Aditivní výroba rozšiřuje schopnost designéra optimalizovat design produktu nebo dílu (například pro úsporu materiálů). Návrhy šité na míru pro aditivní výrobu se někdy velmi liší od návrhů šitých na míru pro operace obrábění nebo tváření.

Kromě toho jsou kvůli určitým omezením velikosti u aditivních výrobních strojů někdy související větší designy rozděleny na menší sekce s prvky vlastní montáže nebo lokátory spojovacích prvků.

Společnou charakteristikou aditivních výrobních metod, jako je Fused Deposition Modeling , je potřeba dočasných podpůrných struktur pro převislé prvky dílu. Odstranění těchto dočasných podpůrných struktur po zpracování zvyšuje celkové náklady na výrobu. Díly lze navrhnout pro aditivní výrobu vyloučením nebo snížením potřeby dočasných podpůrných struktur. Toho lze dosáhnout omezením úhlu převislých struktur na méně, než je limit daného výrobního stroje, materiálu a procesu výroby přísad (například méně než 70 stupňů od svislice).

Viz také

Reference

Zdroje

  • Mentor Graphics - DFM: Co to je a co bude dělat? (je nutné vyplnit formulář žádosti).
  • Mentor Graphics - DFM: Magic Bullet nebo Marketing Hype (je nutné vyplnit formulář žádosti).
  • Příručka Electronic Design Automation for Integrated Circuits , autor: Lavagno, Martin a Scheffer, ISBN  0-8493-3096-3 Průzkum v oblasti EDA. Výše uvedené shrnutí bylo se svolením odvozeno od svazku II, kapitoly 19, Design for Manufacturability in the Nanometer Era , Nicola Dragone, Carlo Guardiani a Andrzej J. Strojwas.
  • Design pro vyrobitelnost a statistický design: konstruktivní přístup , autor: Michael Orshansky, Sani Nassif, Duane Boning ISBN  0-387-30928-4
  • Odhad vesmírných ASIC pomocí SEER-IC / H , Robert Cisneros, Tecolote Research, Inc. (2008) Kompletní prezentace

externí odkazy