Hvad er Design for Manufacturing? En praktisk guide for produktudviklingsteams

Du udvikler hardware. Efter tre prototyper virker designet endelig som det skal. Funktionen er på plads. CAD-modellen ser rigtig ud. De største tekniske problemer er løst.

Nu indhenter indkøb tilbud fra leverandører for hver komponent. Tilbud kommer drypvist ind.

Du har et Excel-ark med din stykliste, hvor du begynder at udfylde omkostningerne. I bunden har du en sum og et maksimum for total omkostning.

Flere tilbud. Du mangler stadig flere tilbud og du er meget tæt på målet. Det ser ikke godt ud, det her. Hvorfor er komponenterne så dyre?

Nu har du fået alle tilbud og dit produkt koster nu dobbelt så meget som dit maksimum.

Det virker uoverskueligt.

Hvor skal jeg starte?

Skummer leverandørerne fløden?

Det her er en kæmpe risiko for business casen i produktet.

Du prøver at læse nogle af tilbuddene igennem for at forstå hver komponent. Der er måske et par detaljerede tilbud der giver en lille retning for hvorfor prisen er så høj.

Dyre materialer. Lang bearbejdningstid. Overkill valg af CNC fræser. Nu begynder jagten på nålen i høstakken.

Hvor ligger omkostningerne? Hvorfor er leveringstiden så lang? Og hvad kan ændres i designet for at sænke omkostningerne og lead time/leveringstid?

Hvad kan du opnå med DFM

Jagten på nålen i høstakken i scenariet ovenover er ikke tilfældig. Det er præcis det Design for Manufacturing (DFM) hjælper med at imødekomme og forebygge.

Design for Manufacturing er en systematisk tilgang til produktudvikling, hvor krav, geometri, materialer, tolerancer og fremstillingsproces tilpasses hinanden, så produktet kan produceres stabilt, økonomisk og i den ønskede kvalitet.

DFM hjælper dig med at udvikle produkter, der både fungerer teknisk og kan produceres stabilt. Det er et værktøj, som hjælper dig med at forstå, hvad der driver omkostningerne i dit design. DFM kan ofte reducere stykpris eller total produktionsomkostning, men værdien kan også ligge i lavere scrap, kortere lead time og mere stabil produktion.

Med DFM vil du også kunne forbinde fremstillingsomkostningerne ned til hvert enkelt produktkrav. Nogle gange sniger der sig "nice-to-have" krav med og står som "need-to-have", med DFM vil du kunne sætte en pris på dit krav og være bedre i stand til at udfordre, hvilke krav der reelt er nødvendige. I mange hardwareprojekter kan høj stykpris eller lang lead time presse business casen så hårdt, at produktet må redesignes, udsættes eller helt stoppes. Ved at bruge DFM reducerer du din risiko for, at projektet lukker grundet stykpris eller for lang lead time.

En simpel DFM-proces kan se sådan ud:

1. Afklar produktkrav og forventet volumen.

2. Identificér de største omkostningsdrivere i BOM og tilbud.

3. Vælg relevante fremstillingsprocesser.

4. Match materiale, proces, geometri og tolerancer.

5. Involvér leverandører tidligt.

6. Test produktionskritiske detaljer med prototyper.

7. Lav DFM/DFA-review før design freeze.

8. Dokumentér beslutninger og trade-offs.

10 praktiske DFM-principper

Her er 10 principper du kan følge (eller måske allerede følger) for at komme godt i gang med Design for Manufacturing (DFM).

1) Krav og specifikationer

Krav og specifikationer lyder måske banalt,

men det er ofte her de dyreste designvalg starter.

Kun med dyb viden om produktkrav ved du, om din DFM-forbedring vil betyde, at produktet ikke lever op til et krav længere.

Vær kritisk, når kravene til produktet bestemmes, og genbesøg dem gerne senere. En af de dyreste omkostningsdrivere er krav, der ikke skaber reel kunde-, funktions- eller complianceværdi.

Underbyg dine krav med data: Er det bare en chefs holdning, at det kunne være fedt, hvis et cover kan dreje rundt, eller er det reelt noget, kunderne efterspørger?

Det er ikke altid dem, der designer produkterne, der har enebestemmelse på produktkravene. Så vær ikke bange for at spørge ind til, hvorfor hvert krav er vigtigt, og hvor det stammer fra.

2) Forstå fysikken i dit produkt

At forstå fysikken i sit produkt betyder at opnå en forståelse for, hvordan kræfter, varme, vibrationer m.m. kan være med til at påvirke dine komponenter internt.

Det er med denne viden du bygger en forståelse for hvor der skal bruges "stærke" komponenter, hvor der skal være fleksibilitet/elasticitet, eller hvilke ikke-mekaniske egenskaber er vigtige for dine komponenter som eksempelvis varmeledningsevne.

Eksempelvis hvis du har et elektronisk produkt med et krav om, at der skal være køling. Så kan det være en god idé at forstå, hvor meget varme elektronikken genererer. Hvor høj temperatur kan du acceptere, og hvor er varmen koncentreret henne?

3) Vælg den rigtige fremstillingsproces tidligt

Fremstillingsprocessen bestemmer i høj grad, hvilke tolerancer dit emne kan have,

og hvilke karakteristika dit emne kan have som bæreevne, overfladefinish og geometriske begrænsninger.

Nogle processer egner sig bedre til højvolumenproduktion end andre. Så inden du vælger fremstillingsproces, så hav en idé om, hvor høj produktionsvolumen du forventer.

Processen er med til indirekte at bestemme hvilken geometri din komponent har. CNC fræsning, drejning, 3D-print, støbning og pladeformning har vidt forskellige designregler.

Eksempelvis bør et sprøjtestøbt plastemne typisk have slipvinkler, for at man kan trække det ud af støbeformen igen.

Det er vigtigt at tænke hele processen igennem fra råmateriale til færdig komponent, da det ofte ikke bare er en enkelt fremstillingsproces, der skal til for at have en færdig komponent. Ofte kan det være, at der skal flere fremstillingsprocesser til.

4) Vælg de rigtige materialer

Materialer har en stor indflydelse på stykprisen. Det kan selvfølgelig ses som råmaterialeomkostninger, eksempelvis er almindelig maskinstål langt billigere end rustfrit stål.

Det er ikke kun materialeprisen som skal være med til at vælge det rette materiale. Funktion skal altid komme først og valget skal derfor gå på et materiale som kan være med til at opfylde den ønskede funktion.

Når det så er sagt, er det ikke kun funktionen der skal bestemme materialet, flere forskellige materialer kan nemlig være med til at opfylde samme funktion. Derimod er det vigtigt at vælge det materiale som også egner sig bedst med den fremstillingsproces du har valgt.

Eksempelvis er aluminium nemmere at bearbejde med fræsning eller drejning, end stål er. ABS er ofte mere dimensionsstabilt end PP og kan derfor være lettere at styre i emner med stramme dimensionskrav. PP kan til gengæld være attraktivt på grund af pris, lav densitet, kemikalieresistens og fleksibilitet, men kræver ekstra opmærksomhed på krymp og deformation.

Det betyder ikke at man aldrig skal fræse i stål eller aldrig skal sprøjtestøbe PP. Det er her dine krav, forståelse for fysikken i dit produkt og valg af fremstillingsmetode skal guide dig.

Valg af materiale skal ikke stå isoleret set. Det er en kombination af materialets egenskaber, produktets krav og valg af fremstillingsproces.

Det kan derfor være en god idé at starte med en positivliste over materialer, som egner sig godt til hver fremstillingsproces. Da det i virkeligheden handler om at finde en god kombination af materiale og fremstillingsproces.

5) Leverandørkontakt

At have tæt kontakt enten direkte til leverandøren, eller hvis du har en intern produktionsafdeling, er en kæmpe hjælp.

Mange dyre designvalg opdages først, når nogen med praktisk produktionserfaring ser tegningen.

Her skal designeren være god til at sluge sin stolthed og spørge, selvom det kan virke som et dumt spørgsmål. Tit kan folk med en anden baggrund have indsigter som kan være med til at forbedre dit design.

Selvom du føler, du har god viden om, hvordan man producerer et emne, så kender du ikke nødvendigvis det setup, din leverandør har.

Det kan være, at dit emne har behov for, at leverandøren først skal lave/købe et specialværktøj for at fræse en dovetail-profil, da de ikke har fræst sådanne profiler før. Ved at være i dialog med leverandøren vil du finde ud af, hvad deres setup og erfaring er.

Og du vil også blive lidt klogere selv.

Ved at have leverandørkontakt tidligt kan du også finde ud af, om du har fat i en forkert leverandør til det emne, du er ved at designe.

Pointen er, hvis du ikke har kontakt til leverandøren eller produktionen, så får du ikke denne information. Og du lærer heller ikke fremstillingsprocesserne bedre at kende gennem eksperternes erfaring.

6) Toleranceanalyse

Kan det måles? Kan det produceres?

Tolerancer har en stor indflydelse på produktionspris. Det skyldes især fire ting:

- En stram tolerance kan kræve ekstra finishbearbejdning, mere omfattende post-processing og mere proceskontrol.

- Stramme tolerancer indfører typisk større behov for inspektion. Det er et ekstra trin. Det er en ekstra linje på tilbuddet. Hvis det er svært at lave et kontrolmål eller højt specialiseret udstyr er nødvendigt, kan inspektion blive meget omfattende og dyrt. Hvis derimod målet kan tages med en skydelære vil inspektion ikke betyde så meget for pris eller lead time. Om tolerancerne er målbare er altså nøglen her.

- Hvis din tolerance udfordrer fremstillingsprocessen. Kan det give en højere scrap rate. Fejl sker. Og hvis et emne kræver, at en maskine yder sit absolut bedste, vil det en gang imellem betyde, at det ikke er godt nok. Halvfærdige emner skal derfor kasseres og det reflekterer tilbuddet sikkert også.

- En tolerance bør ikke kun vurderes ud fra, om den kan produceres. Den bør også vurderes ud fra, om den kan måles reproducerbart med en realistisk målemetode. En tommelfingerregel er at målsætte efter funktionen i emnet først. Og ikke-funktionskritisk geometri sekundært.

Stramme tolerancer kan ikke undgås, for det kan nogle gange være vigtigt for produktets funktion. Der, hvor et mål ikke er vigtigt for produktets funktion, er typisk der, hvor der kan bruges mere løse tolerancer.

Når der er behov for stramme tolerancer og overflader, så skal arealet af disse overflader minimeres så meget som muligt.

Det kan være et hul. I stedet for at have en H7-tolerance hele vejen igennem kan der være et indgangshul med en større diameter i hver ende, så H7-overfladen minimeres.

Hvilke tolerancer der er behov for, bør være med i valget, når der skal vælges fremstillingsproces.

7) Reducer kompleksitet

Kompleks geometri kan ofte føre til en højere stykpris, da det typisk betyder at råmaterialet skal bearbejdes mere.

Her bør krav være driveren af geometrien. Hvis en feature ikke kan forbindes direkte med et produktkrav, hvorfor er den der så?

Der er dog én undtagelse, og det er at støbte emner ofte kan se ud til at have en kompleks geometri som slipvinkler og ribber. Disse er selvfølgelig med til at gøre værktøjet mere komplekst, men de er strengt nødvendige for at kunne producere ordentlige emner.

Det kan nogle gange være svært at reducere kompleksiteten af et emne. Man kan nogle gange godt blive blind over for sit eget design, da man har set på det samme så mange gange. Det kan derfor være en god idé at sparre med en kollega.

8) Lav prototyper

Prototyper begrænser sig ikke til at teste funktion eller æstetik. Prototyper kan også laves for at teste fremstilling.

En prototype kan teste hvor nemt et emne er at producere. Det behøver ikke være hele emnet der produceres, det kan også være en lille detalje i emnet som et gevind eller en snapfit.

Det vigtigste er, at der er et mål for at lære noget nyt med prototypen.

9) Design reviews

Design reviews er dit sikkerhedsnet for, at dit design er i orden. Der er meget at holde styr på, når man designer og udvikler hardware. Med et design review sikrer du, at dit emne eller din samling får den 360-graders granskning, som det fortjener.

Ofte kan fejl spottes her inden de sættes i produktion. Fejl, der er nemme at fikse, før de er sat i produktion, og fejl, der er svære at rette op, efter de er sat i produktion.

Et godt design review består af et forudbestemt panel (ikke bare dem, som har tid ved kaffemaskinen). Jo mere diverst panelet er, jo bedre.

Brug en fast struktur: Er de kritiske tolerancer funktionsbegrundede? Matcher materiale og proces hinanden? Kan tolerancerne måles realistisk? Kræver geometrien specialværktøj? Er der risiko for fejlmontage? Er der åbne antagelser, der bør testes før design freeze?

Vær forberedt til design reviewet. Hav alt klar: produktkrav, fremstillingstegninger, montagetegninger, detailtegninger fra CAD og eventuelt tilbud, hvis du har modtaget det. Print det ud eller læg materialet ind i et slideshow.

Tag noter og skriv aktioner ned fra design reviewet. Formålet med et design review er ikke, om det er godt nok eller ej. Det er at forstå, hvorfor et design er godt, eller hvorfor det ikke er godt nok, og i så fald hvad der skal forbedres, og hvem der ejer aktioner.

10) Design for Assembly (DFA)

Den her artikel handler om design for manufacturing, men DFM bør ikke stå alene.

Et af målene med Design for Manufacturing and Assembly (DFMA) er at sikre, at produktet som helhed kan fremstilles og samles til en fornuftig pris, med lav produktionsrisiko og en acceptabel lead time.

Hvis der kun optimeres for fremstilling, vil du hurtigt ende med et produkt som bliver samlet af 127 forskellige skruer og komponenter, og så har du egentlig ikke lavet nogen besparelse, du har bare flyttet budgettet fra fremstilling til montage.

Konkret kan DFA handle om at reducere antal dele, bruge færre forskellige skruer, designe dele så de kun kan monteres korrekt, sikre god adgang til værktøj, undgå manuel justering og gøre dele nemme at gribe, orientere og placere under montage.

Det handler ikke kun om hurtigere montage, men også om at reducere risikoen for fejlmontage, kvalitetsproblemer og rework.

DFM Reducerer omkostninger og øger marginen

DFM er et af de vigtigste værktøjer, når et produkt ikke kun skal fungere som prototype, men også skal kunne produceres stabilt, skaleres og sælges med en sund margin.

Når produktet både løser kundens problem og kan produceres med en sund business case, skaber designarbejdet værdi på tværs af udvikling, produktion og ledelse.

Et eksempel på DFM kunne være en CNC-fræst komponent, hvor der ikke er et særligt krav om høj stivhed. I det tilfælde kunne komponenten måske redesignes som en pladedel. Hvis pladedelen kan levere samme funktion, men tager kortere tid at producere, kan både stykpris og lead time reduceres.

Selvom det ofte er omkostninger, der driver værket, begrænser udbyttet sig ved DFM ikke kun til omkostninger. Det kan også betyde lavere lead time, lavere scrap rate eller en mere robust forsyningskæde, hvis det betyder, at flere leverandører kan fremstille emnet.

Sidder I med et produkt, hvor stykpris, lead time eller produktionsrisiko begynder at presse business casen?

Mortex Consulting hjælper produktudviklingsteams med at finde de designvalg, der driver omkostninger, kompleksitet og produktionsrisiko.

Udfyld formularen nedenfor, hvis I vil have en teknisk gennemgang af jeres design, BOM eller produktionssetup.