El diseño para la capacidad de fabricación (también conocido a veces como diseño para la fabricación o DFM ) es la práctica general de ingeniería de diseñar productos de tal manera que sean fáciles de fabricar. El concepto existe en casi todas las disciplinas de la ingeniería, pero la implementación difiere mucho según la tecnología de fabricación. DFM describe el proceso de diseño o ingeniería de un producto con el fin de facilitar el proceso de fabricación con el fin de reducir sus costos de fabricación. DFM permitirá solucionar problemas potenciales en la fase de diseño, que es el lugar menos costoso para abordarlos. Otros factores pueden afectar la capacidad de fabricación, como el tipo de materia prima, la forma de la materia prima, las tolerancias dimensionales y el procesamiento secundario, como el acabado.
Dependiendo de los distintos tipos de procesos de fabricación, existen pautas establecidas para las prácticas de DFM. Estas pautas de DFM ayudan a definir con precisión varias tolerancias, reglas y controles de fabricación comunes relacionados con DFM.
Si bien DFM es aplicable al proceso de diseño, en muchas organizaciones también se practica un concepto similar llamado DFSS (diseño para Six Sigma).
En el proceso de diseño de PCB , DFM conduce a un conjunto de pautas de diseño que intentan garantizar la capacidad de fabricación. Al hacerlo, se pueden abordar posibles problemas de producción durante la etapa de diseño.
Idealmente, las directrices DFM toman en cuenta los procesos y capacidades de la industria manufacturera. Por tanto, DFM está en constante evolución.
A medida que las empresas manufactureras evolucionan y automatizan cada vez más etapas de los procesos, estos procesos tienden a abaratarse. Generalmente se utiliza DFM para reducir estos costos. [1] Por ejemplo, si un proceso puede realizarse automáticamente mediante máquinas (es decir, colocación y soldadura de componentes SMT ), es probable que dicho proceso sea más económico que hacerlo a mano.
Lograr diseños de alto rendimiento con la tecnología VLSI de última generación se ha convertido en una tarea extremadamente desafiante debido a la miniaturización y la complejidad de los productos de vanguardia. Aquí, la metodología DFM incluye un conjunto de técnicas para modificar el diseño de circuitos integrados (CI) con el fin de hacerlos más fabricables, es decir, mejorar su rendimiento funcional, su rendimiento paramétrico o su confiabilidad.
Tradicionalmente, en la era anterior a los nanómetros, DFM consistía en un conjunto de metodologías diferentes que intentaban hacer cumplir algunas reglas de diseño suaves (recomendadas) con respecto a las formas y polígonos del diseño físico de un circuito integrado . Estas metodologías DFM funcionaron principalmente a nivel de chip completo. Además, se aplicaron simulaciones del peor de los casos en diferentes niveles de abstracción para minimizar el impacto de las variaciones del proceso en el rendimiento y otros tipos de pérdida de rendimiento paramétrica. Todos estos diferentes tipos de simulaciones del peor de los casos se basaron esencialmente en un conjunto básico de archivos de parámetros de dispositivos SPICE del peor de los casos (o de esquina) que pretendían representar la variabilidad del rendimiento del transistor en todo el rango de variación en un proceso de fabricación. Además, los modelos SPICE deberían tener discrepancias integradas para simulaciones de circuitos analógicos. Muchas discrepancias dependen del tamaño y la orientación, que pueden modelarse bien. Siempre "copie exactamente" al realizar diseños analógicos, ya que muchas discrepancias no se comprenden ni controlan bien (es decir, si un dispositivo tiene un flujo de corriente de norte a sur, todos los dispositivos coincidentes deben tener un flujo de corriente de norte a sur).
Los modelos de pérdida de rendimiento (YLM) más importantes para los circuitos integrados VLSI se pueden clasificar en varias categorías según su naturaleza.
Después de comprender las causas de la pérdida de rendimiento, el siguiente paso es hacer que el diseño sea lo más resistente posible. Las técnicas utilizadas para esto incluyen:
Todo esto requiere una comprensión detallada de los mecanismos de pérdida de rendimiento, ya que estos cambios se compensan entre sí. Por ejemplo, la introducción de vías redundantes reducirá la posibilidad de problemas de vía, pero aumentará la posibilidad de cortocircuitos no deseados. Por lo tanto, si esta es una buena idea depende de los detalles de los modelos de pérdida de rendimiento y de las características del diseño particular.
El objetivo es diseñar a menor costo. El costo depende del tiempo, por lo que el diseño debe minimizar el tiempo requerido no solo para mecanizar (eliminar el material), sino también el tiempo de configuración de la máquina CNC , programación NC, fijación y muchas otras actividades que dependen del Complejidad y tamaño de la pieza.
A menos que se utilice un 4º y/o 5º eje, un CNC sólo puede acercarse a la pieza desde una única dirección. Se debe mecanizar un lado a la vez (lo que se denomina operación u op ). Luego, la pieza debe voltearse de lado a lado para mecanizar todas las características. La geometría de las características dicta si la pieza se debe voltear o no. Cuantas más operaciones (inversión de la pieza), más costosa será la pieza porque requiere un tiempo sustancial de configuración y carga/descarga.
Cada operación (voltear la pieza) tiene tiempo de preparación, tiempo de máquina, tiempo para cargar/descargar herramientas, tiempo para cargar/descargar piezas y tiempo para crear el programa NC para cada operación. Si una pieza tiene solo 1 operación, entonces las piezas solo deben cargarse/descargarse una vez. Si tiene 5 operaciones, entonces el tiempo de carga/descarga es significativo.
Lo más fácil es minimizar el número de operaciones (invertir la pieza) para generar ahorros significativos. Por ejemplo, puede tomar sólo 2 minutos mecanizar la cara de una pieza pequeña, pero tomará una hora configurar la máquina para hacerlo. O, si hay 5 operaciones de 1,5 horas cada una, pero solo 30 minutos de tiempo total de máquina, entonces se cargan 7,5 horas por solo 30 minutos de mecanizado. [2]
Por último, el volumen (número de piezas a mecanizar) juega un papel fundamental a la hora de amortizar el tiempo de preparación, el tiempo de programación y otras actividades en el coste de la pieza. En el ejemplo anterior, la pieza en cantidades de 10 podría costar entre 7 y 10 veces el costo en cantidades de 100.
Normalmente, la ley de rendimientos decrecientes se presenta en volúmenes de 100 a 300 porque los tiempos de configuración, las herramientas personalizadas y los accesorios se pueden amortizar en el ruido. [3]
Los tipos de metales más fáciles de mecanizar incluyen el aluminio , el latón y los metales más blandos. A medida que los materiales se vuelven más duros, densos y resistentes, como el acero , el acero inoxidable , el titanio y las aleaciones exóticas, se vuelven mucho más difíciles de mecanizar y tardan mucho más, por lo que son menos fabricables. La mayoría de los tipos de plástico son fáciles de mecanizar, aunque las adiciones de fibra de vidrio o fibra de carbono pueden reducir la maquinabilidad. Los plásticos que son particularmente blandos y gomosos pueden tener sus propios problemas de maquinabilidad.
Los metales vienen en todas las formas. En el caso del aluminio, por ejemplo, la barra y la placa son las dos formas más comunes a partir de las cuales se fabrican piezas mecanizadas. El tamaño y la forma del componente pueden determinar qué forma de material se debe utilizar. Es común que los dibujos de ingeniería especifiquen una forma sobre la otra. El stock en barras generalmente se acerca a la mitad del costo de la placa por libra. Entonces, aunque la forma del material no está directamente relacionada con la geometría del componente, el costo se puede eliminar en la etapa de diseño especificando la forma menos costosa del material.
Un factor que contribuye significativamente al costo de un componente mecanizado es la tolerancia geométrica con la que se deben realizar las características. Cuanto más estricta sea la tolerancia requerida, más costoso será mecanizar el componente. Al diseñar, especifique la tolerancia más flexible que cumplirá la función del componente. Las tolerancias deben especificarse característica por característica. Existen formas creativas de diseñar componentes con tolerancias más bajas que aún funcionan tan bien como otros con tolerancias más altas.
Como el mecanizado es un proceso sustractivo, el tiempo para retirar el material es un factor importante a la hora de determinar el coste del mecanizado. El volumen y la forma del material a eliminar, así como la velocidad de avance de las herramientas, determinarán el tiempo de mecanizado. Cuando se utilizan fresas , la resistencia y rigidez de la herramienta, que está determinada en parte por la relación entre longitud y diámetro de la herramienta, desempeñarán el papel más importante a la hora de determinar esa velocidad. Cuanto más corta sea la herramienta en relación con su diámetro, más rápido podrá avanzar a través del material. Una proporción de 3:1 (L:D) o inferior es óptima. [4] Si no se puede lograr esa proporción, se puede utilizar una solución como esta que se muestra aquí. [5] Para los agujeros, la relación entre longitud y diámetro de las herramientas es menos crítica, pero aún así debe mantenerse por debajo de 10:1.
Hay muchos otros tipos de características que son más o menos costosas de mecanizar. Generalmente, mecanizar los chaflanes cuesta menos que los radios en los bordes horizontales exteriores. La interpolación 3D se utiliza para crear radios en bordes que no están en el mismo plano, lo que genera un costo 10 veces mayor. [6] Los cortes socavados son más costosos de mecanizar. Las funciones que requieren herramientas más pequeñas, independientemente de la relación L:D, son más caras.
El concepto de diseño para inspección (DFI) debe complementar y trabajar en colaboración con el diseño para la capacidad de fabricación (DFM) y el diseño para el ensamblaje (DFA) para reducir el costo de fabricación del producto y aumentar la practicidad de fabricación. Hay casos en los que este método podría causar retrasos en el calendario, ya que consume muchas horas de trabajo adicional, como en el caso de la necesidad de preparar presentaciones y documentos de revisión de diseño. Para abordar esto, se propone que en lugar de inspecciones periódicas, las organizaciones podrían adoptar el marco de empoderamiento, particularmente en la etapa de desarrollo del producto, en el que la alta dirección faculta al líder del proyecto para evaluar los procesos de fabricación y los resultados frente a las expectativas sobre el rendimiento y el costo del producto. , calidad y tiempo de desarrollo. [7] Los expertos, sin embargo, citan la necesidad del DFI porque es crucial en el control de rendimiento y calidad , determinando factores clave como la confiabilidad del producto, la seguridad y los ciclos de vida. [8] Para una empresa de componentes aeroespaciales , donde la inspección es obligatoria, existe el requisito de que el proceso de fabricación sea adecuado para la inspección. Aquí se adopta un mecanismo como un índice de inspeccionabilidad, que evalúa las propuestas de diseño. [9] Otro ejemplo de DFI es el concepto de recuento acumulativo de gráficos conformes (gráfico CCC), que se aplica en la planificación de inspección y mantenimiento de sistemas donde se encuentran disponibles diferentes tipos de inspección y mantenimiento. [10]
La fabricación aditiva amplía la capacidad de un diseñador para optimizar el diseño de un producto o pieza (para ahorrar materiales, por ejemplo). Los diseños diseñados para la fabricación aditiva a veces son muy diferentes de los diseños diseñados para operaciones de fabricación de mecanizado o conformado.
Además, debido a algunas limitaciones de tamaño de las máquinas de fabricación aditiva, a veces los diseños más grandes relacionados se dividen en secciones más pequeñas con funciones de autoensamblaje o localizadores de sujetadores.
Una característica común de los métodos de fabricación aditiva, como el modelado por deposición fundida , es la necesidad de estructuras de soporte temporales para las características de las piezas sobresalientes. La eliminación posterior al procesamiento de estas estructuras de soporte temporales aumenta el costo total de fabricación. Las piezas se pueden diseñar para la fabricación aditiva eliminando o reduciendo la necesidad de estructuras de soporte temporales. Esto se puede hacer limitando el ángulo de las estructuras sobresalientes a menos del límite de la máquina, el material y el proceso de fabricación aditiva determinados (por ejemplo, menos de 70 grados desde la vertical).
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