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产品设计中对「可制造性和可装配性(DFM/DFA)」的考虑

 小雨又来袭TSG 2024-09-07 发布于广东

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      1  可制造性设计  

可制造性设计(DFM)是一种将概念转化为工程实践的通用方式,其重点在于以便于制造且经济高效的手段进行产品设计。这种方法涵盖了从设计到制造的整套流程,需要我们从产品开发的早期阶段就要考虑到可制造性所涉及的因素。

      DFM为何如此重要  

  • 更易于制造:

    通过在设计早期阶段考虑制造的约束和流程,DFM 可确保产品能够顺利的进行制造。

  • 降低成本:

    DFM 有助于识别和消除材料和制造过程中不必要的成本,从而实现更经济的生产。

  • 质量保证:

    由于设计针对制造进行了优化,从而降低了出现错误和缺陷的可能性,从而提高了产品的质量。

  • 设计创新:

    鼓励创新、实用的设计方案,不仅美观而且可制造。

  • 环境影响:

    通过优化材料和工艺,DFM 可以促进更可持续的制造方法加以实践。

      可制造性设计的好处  

  • 降低成本:

    通过优化制造工艺的设计,可以显著降低生产成本。

  • 加快产品上市时间:

    简化设计和制造流程可缩短产品上市所需的时间。

  • 提高质量:
    考虑可制造性可以使设计的产品缺陷更少,整体质量更高。

  • 提高效率:

    减少浪费并提高生产的效率。

      DFM在常见的挑战中所提供的帮助  

  • 生产的复杂性:

    DFM 简化了设计,使其更易于生产。

  • 成本高:
    通过优化材料和工艺的使用,DFM 有助于降低生产成本。

  • 质量问题:
    DFM 涉及严格的测试和改进设计以确保高质量。

  • 供应链复杂性:

    DFM 可以带来更简单的设计,使其更易于在供应链内管理。

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      2  常见的制造加工工艺  

在工业设计和制造领域,常见的制造加工工艺非常多样,如注塑成型、机械加工、数控铣削、压铸、3D打印等,每种工艺都有其独特的特点和适用范围。作为设计师,应该对每项工艺都有较为全面的了解和掌握,以对设计出来的作品做出最佳的加工工艺选择。下文将介绍其中一些常见的工艺特性、局限性和设计约束。

      注塑成型  

  概述

注塑成型是一种广泛使用的塑料制造工艺,适用于大规模生产高质量、复杂形状的塑料部件。这种方法主要用于热塑性塑料,但也可用于某些类型的热固性塑料和橡胶。该工艺将熔融材料注入模具,然后冷却并固化成最终零件。

  特性

  • 大批量生产:
    由于其效率高、速度快,非常适合大规模生产。

  • 材料多样性:
    兼容多种材料,特别是塑料。

  • 复杂几何形状:

    可以生产具有复杂形状和精细细节的零件。

  • 一致性:

    确保高重复性和一致的质量。

  工艺限制

  • 初始成本高:
    模具设计和物料准备的成本较高,对于小批量生产来说经济性较差。

  • 材料限制:
    并非所有材料都适合注塑成型,特别是那些熔点高的材料。

  • 设计限制:
    某些设计元素,例如底切或极薄的壁,可能会使加工流程变得复杂或不可行。

  设计约束

  • 拔模角度:
    需提前设计一定拔模角,这对于零件从模具中轻松脱出至关重要。

  • 均匀的壁厚:
    防止局部翘曲或凹陷等问题。

  • 加强筋和角撑:

    用于加强零件而不增加壁厚。

      机械加工  

  概述

机械加工是一种常见的减材工艺,即从工件上去除材料,将其塑造成所需的形状。它包括铣削、车削和钻孔等各种技术。

  特性

  • 多适用性:

    适用于多种材料,包括金属、塑料和复合材料。

  • 精度:
    能够实现严格的公差和出色的表面光洁度。

  • 定制性:
    适合定制或一次性零件。

  工艺限制

  • 材料浪费:
    减法加工的特点不免会导致材料的浪费。

  • 复杂性和成本:
    该工艺在应对复杂的设计时可能耗费大量时间,而且加工成本昂贵。

  • 尺寸限制:
    零件的尺寸受到加工设备尺寸的限制。

  设计约束

  • 工具可达:

    零件的设计必须允许加工工具可以到达所有表面,避免设计过于复杂的内腔。

  • 精度和公差:

    不同的加工方法(如铣削、车削、磨削等)有不同的精度能力,设计时需确保图纸上的尺寸和公差能够被相应的加工方法实现。

  • 避免薄壁:
    过薄的壁厚或过小的特征可能导致加工过程中出现机械振动和不准确性。

      压铸成型 

  概述

压铸成型是一种金属铸造过程,它使用高压将熔融金属注入钢制模具中。压铸是一种快速、高效的生产方法,这种方法主要用于铝、锌、镁、铜、铅和锡的合金加工,广泛应用于汽车、电子和家用电器等行业。

  特性

  • 生产效率高:

    压铸机可以快速生产,一旦模具制造完成,每个周期的生产时间非常短。

  • 精度一致:
    压铸件具有较高的尺寸精度和表面光洁度。

  • 复杂形态加工:
    可以生产复杂形状的金属部件,包括较薄的壁厚和精细的细节。

  • 强度高:
    由于金属在高压下铸造,压铸件通常具有很好的强度和硬度。

  工艺限制

  • 材料限制:
    工艺主要用于特定的可压铸金属和合金。

  • 高初始成本:
    模具的设计和制造成本较高,因此压铸更适合大批量生产。

  • 尺寸限制:
    对产品大小有一定的限制,主要由压铸机的能力决定。

  设计约束

  • 壁厚均匀:

    避免不均匀冷却导致的内应力、变形或冷隔现象。过薄的壁可能导致填充不完全,而过厚的壁可能导致内部孔洞和缩水。

  • 圆角和过渡:

    尽量避免设计尖角和突变的截面,应使用圆角和平滑的过渡。这有助于金属流动和减少应力集中,降低裂纹和疲劳破坏的风险。

  • 热处理和应力消除
    设计时应考虑是否需要后续的热处理过程,如应力消除、硬化等,以及这些处理对材料属性和尺寸稳定性的影响。

  • 拔模角度
    设计中根据压铸件的深度和复杂度增加适当的拔模角度,以便于从模具中顺利脱模。

      3D打印 

  概述

3D 打印是一种逐层构建零件的工艺。它能够以更少的浪费制造复杂且定制的零件。

  特性

  • 复杂形态:
    能够生产出传统制造方法无法实现的设计。

  • 快速成型:
    从设计图到实物的加工周期较短。

  • 定制:
    适合一次性的生产和定制。

  工艺限制

  • 材料限制:

    通常只能使用特定的材料进行加工,且材料性能会有不同的表现。

  • 表面处理:

    通常需要后处理才能获得光滑的表面。

  • 尺寸限制:
    受打印床尺寸限制的。

  设计约束

  • 悬挑和支撑:

    设计必须考虑打印时过渡悬挑的结构,或增加支撑实现。

  • 层粘附:
    在设计中考虑层的强度和厚度,确保每一层的牢固性。

  • 清理和后处理:

    应考虑后处理的便利性,如去除支撑结构、磨光和涂装等,这些都可能影响最终产品的外观和性能。

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      3  材料的选择  

在设计和制造过程中,选择正确的材料至关重要。它对产品的可制造性、成本、环境和可持续性有重大影响。

      材料的适用工艺和特性 

  塑料

  • 适用工艺:

    注塑成型、吸塑成型、吹塑成型、3D打印。

  • 特性:

    轻质:塑料的密度低,重量轻。

    易加工:塑料易于被成型和加工,可生产复杂形状的产品。

    绝缘性好:大多数塑料具有良好的电绝缘性能。

    化学稳定性:对许多化学物质有良好的抗腐蚀性。

  • 注意事项:

    耐温性:大多数塑料耐热性不高,高温下易变形。

    耐紫外线:长时间暴露在阳光下可能导致塑料老化。

  金属

  • 适用工艺:

    铸造、锻造、机械加工、焊接、冷成型。

  • 特性:

    高强度:金属具有较高的机械强度和耐磨性。

    良好的导热性和导电性:金属是良好的热导体和电导体。

    可塑性:在一定条件下,金属可以被拉伸成薄片或拉长成丝。

  • 注意事项:

    腐蚀问题:某些金属易生锈或腐蚀,需进行表面处理。

    加工成本:金属加工通常成本较高,尤其是精密加工。

    重量问题:金属比大多数其他材料重,可能不适合要求轻质的应用场合。

  复合材料

  • 适用工艺:
    手糊成型、缠绕成型、压缩成型、拉挤成型。

  • 特性:

    高比强度和比刚度:复合材料可以达到高强度和刚度而重量轻。

    可设计性:可以根据需要设计材料的性能,如强度、刚度、耐热性等。

    良好的耐疲劳性和耐环境性能。

  • 注意事项:

    成本问题:高性能复合材料的成本较高。

    加工复杂性:复合材料的加工通常比单一材料复杂。

    修复困难:一旦损坏,复合材料较难修复。

  陶瓷

  • 适用工艺:
    干压成型、注浆成型、热压成型。

  • 特性:

    高硬度:陶瓷材料硬度高,耐磨性好。

    耐高温:陶瓷可以在高温环境下保持稳定。

    良好的化学稳定性:对多数酸、碱具有良好的抗腐蚀性。

  • 注意事项:

    脆性:陶瓷材料脆性大,抗冲击能力差。

    加工困难:陶瓷材料的加工难度大,成本高。

    设计限制:由于其脆性,设计时需考虑陶瓷的应力集中问题。

      材料选择中与成本相关的考虑 

  • 初始成本:

    钛或碳纤维复合材料等材料比普通塑料或铝更昂贵。

  • 加工成本:
    某些材料需要特殊处理或加工,从而增加制造成本(例如,机械加工中的硬化钢)。

  • 数量和规模:
    批量生产会有效降低材料采购的成本。

  • 生命周期成本:

    尽管初始成本较高,但耐用材料可能提供更好的长期价值。

      环境和可持续性因素 

  • 资源提取:

    考虑材料提取(例如金属开采)对环境的影响。

  • 能源消耗:
    某些材料需要更多的能源来加工,从而影响其碳足迹。

  • 可回收性:

    铝和某些塑料等材料具有很高的可回收性。

  • 生命周期分析:
    评估整个生命周期,包括生产、使用和处置。

  • 可生物降解材料:

    生物塑料和天然材料因其对环境的影响较小而越来越受欢迎。

  • 法规与合规性:

    在材料选择方面,遵守环境法规和标准至关重要。

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      4  装配和拆卸  

装配设计 (DFA) 和拆卸设计 (DFD) 是产品设计的关键方面,其目的是简化装配和拆卸过程。这有助于降低制造成本、增强产品生命周期管理并提高产品的使用寿命。

      最小化零件和标准化 

  • 简化:

    减少产品零件数量可简化装配过程、降低生产成本,有效提高产品可靠性。

  • 集成:

    设计结合多种功能或特性的零件,减少对附加组件的需求。

  • 标准化:
    尽可能使用标准零件和部件,以最大限度地减少装配的多样性和复杂性。

      便于操作的组装设计 

  • 人体工程学设计:
    确保零件设计易于操作,从而可以减少装配时间和出错风险。

  • 方向和对齐:
    设计可自对齐的零件或具有清楚指示正确方向的特征以简化装配。

  • 可触达性:

    确保装配工具和操作员可以轻松触达所有部件。

      卡扣式、快拆式和模块化 

  • 卡扣式:
    可实现快速、免工具组装,减少组装时间和成本。

  • 快拆式:

    这些机制能够快速轻松地组装和拆卸,对于需要经常维护的产品很有用。

  • 模块化:
    设计模块化组件可以简化组装和拆卸,并方便升级和维修。

      便于维护和回收 

  • 易于拆卸:

    设计产品时应使用最少的工具,轻松拆卸以进行维护或报废回收。

  • 标记零件:
    清晰标记零件,以指示如何拆卸和分类以便回收或再利用。

  • 材料选择:
    选择易于分离和回收的材料以减少对环境的影响。

  • 连接技术:

    使用螺钉或夹子等可逆连接技术,而不是焊接或胶合等永久性方法。

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      5  公差和尺寸  

公差和尺寸是产品设计和制造的一个重要考量因素。指对指定的零件尺寸允许变化的一个限度范围。正确的公差设计可确保零件正确配合、按预期运行,并能以经济高效的方式制造。

      公差叠加对产品功能的影响 

  公差叠加:

  • 这是指公差对组件中各个零件的累积效应。

  • 了解这些公差在装配过程中如何累加非常重要,以确保零件能够正常配合和运行。

  • 管理不善的堆叠可能会导致零件不合适、功能不佳或需要费时费力的返工。

  分析技术:

  • 使用统计方法或公差分析软件来预测公差的累积效应。

  • 考虑最坏情况,比如设定公差处于极限状态下,依旧能实现功能。

      根据工艺和材料选择合理的公差 

  工艺能力:

  • 不同的制造工艺具有不同的固有精度水平。例如,CNC加工可以实现比铸造更严格的公差。

  • 了解所选制造工艺的能力并相应地设定公差。

  材料考虑:

  • 材料特性(例如热膨胀)会影响零件的公差设定。

  • 塑料等材料可能需要更宽松的公差,因为它们容易随着温度而弯曲或改变尺寸。

  功能与成本:

  • 公差越严格,制造成本就越高。平衡精度需求与成本限制至关重要。

  • 仅当零件功能绝对必要时才指定严格的公差。

      设计应便于检查和质量把控 

  轻松触达的测量要点:

  • 设计具有无需专门设备即可轻松测量或检查的特征或区域的零件。

  • 避开测量工具无法到达的隐蔽或难以接近的区域。

  尺寸标准化:

  • 尽可能使用常见的、标准化的尺寸,以便于使用标准测量工具更容易地进行检查。

  质量控制集成:

  • 考虑加入一些便于自动检查的功能,如易于机器识别的特定几何形状或图案。

  • 设计具有内置质量检查功能的零件,这些功能可在装配过程中发挥作用,例如定位销。

  文档:

  • 提供清晰、详细的公差文档,包括如何测量和检查公差。

  • 在 CAD 模型中包含公差信息以协助自动检查。

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      6  工具和设备  

产品的可制造性同样需要考虑加工工具和设备的兼容性,旨在优化设计以实现高效生产,同时最大限度地降低工具复杂性和成本。

      工具和设备的局限性 

  工具能力:

  • 了解制造工厂中可用的工具和设备的能力和局限性。

  • 设计可用现有机器制造的零件,避免购买新的或专用的设备。

  制造限制:

  • 考虑诸如机器的尺寸、运动范围和工具的功能(例如,CNC加工中的最大切削深度)等限制。

  • 设计符合这些约束的零件以确保可制造性,而无需对现有设置进行重大修改。

      设计中考虑降低工具的复杂性 

  简化设计:

  • 设计力求简单,以减少制造过程中所需的工具和更改的数量。

  • 避免使用需要专门工具的复杂形状或特征。

  模块化工具:

  • 在可能的情况下,设计可使用模块化工具系统制造的零件,减少对定制工具的需求。

  多功能工具:

  • 考虑使用可以执行多项操作的多功能工具,减少更换工具的需要并缩短生产时间。

      利用标准组件,减少定制需求 

  标准组件:

  • 在设计中使用标准组件(如螺栓、螺母和轴承)。这种方法减少了对定制工具的需求并简化了供应链。

  • 围绕这些标准组件进行设计可以显著降低制造和维护成本。

  现有工具的设计:

  • 定制设计以与现有工具和设备兼容,从而避免定制工具开发带来的高成本和交货时间。

  • 在设计过程的早期与工具供应商或制造团队合作,了解有哪些标准工具可用。

  适应性:

  • 设计适用于不同机器或工具的零件,增加制造过程的灵活性。

  • 在扩大生产规模或将生产转移到不同工厂时,这种适应性尤为重要。

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      7  设计优化和原型设计  

设计优化和原型设计是产品开发过程中的关键步骤,特别是在实施可制造性设计(DFM)原则时。这些阶段包括使用高级软件工具进行设计分析、构建原型以测试实际制造性,以及与制造合作伙伴共同通过迭代过程来完善设计。

      使用DFM软件优化设计 

  DFM分析软件:

  • 利用专门的 DFM 软件分析和优化设计以实现可制造性。这些工具可以评估材料选择、壁厚和拔模角等方面。

  • 该类软件还可以预测应力集中、潜在翘曲等问题。

  模拟工具:

  • 使用模拟工具预测设计在各种制造工艺下的表现。其中包括成型、加工和装配的模拟。

  • 这些工具有助于识别潜在的应力点、变形风险和其他结构弱点。

  反馈迭代:

  • 设计优化不是一次性过程,而是一个持续的循环。利用软件模拟的反馈来迭代改进设计。

      构建原型 

  快速成型:

  • 3D 打印等技术提供了快速成型功能,使设计师能够快速创建其产品的物理模型。

  • 这些原型提供了一种评估设计、适合度、形式和功能的切实可行的方法。

  可制造性测试:

  • 使用原型来测试制造产品的难易程度。这包括评估装配流程、材料处理和工具使用。

  • 原型可以揭示数字模型中不明显的问题,例如组装或维护困难。

  材料测试

  • 原型设计还可以测试不同的材料并观察它们在现实环境中的行为,例如它们对压力、温度和磨损的反应。

      与制造商合作迭代设计 

  与制造商的合作:

  • 在设计过程的早期阶段与制造商进行充分交流。他们的见解对于确定实际挑战和解决方案非常有价值。

  • 利用他们的反馈来改进设计,重点关注成本效益、生产的简易性和质量控制等方面。

  迭代细化:

  • 设计过程应是吸取每次原型的经验教训不断迭代的,并根据实际测试和反馈进行调整。

  • 这个迭代循环有助于达成满足功能和可制造性要求的优化设计。

  平衡理想设计与实际设计:

  • 通常,理想设计与实际可制造性之间存在权衡。努力寻找一种平衡,既能保持设计的完整性,又能实现生产。

结论

在产品设计中,融入可制造性(DFM)和可装配性(DFA)的考虑,不仅能有效降低生产成本,通过减少材料浪费和人力成本,还能缩短生产和装配时间,简化流程,进而提升效率,也有助于提升产品的质量和可靠性,减少错误和缺陷的发生。通过优化零件和工艺的选择,可以进一步提升产品的性能和可维护性。在设计执行过程中,能有效减少方案修改和返工的频率,提升项目的效率和准时交付。总的来说,综合考虑可制造性和可装配性,能帮助企业更有效地生产和组装高质量的产品,从而提升企业的竞争力和盈利能力。

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拓展阅读:
何为“设计管理”
何为“用户研究”,设计师怎么做好用户研究?

一文了解“塑料”的材质特性及其工艺

一文了解“复合材料”的材质特性及其工艺
一文了解“玻璃”的材质特性及其工艺
一文了解“金属”的材质特性及其工艺
一文了解“木材”的材质特性及其工艺
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