El diseño para la fabricación (también conocido 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 ingeniería, pero la implementación difiere ampliamente según la tecnología de fabricación. DFM describe el proceso de diseño o ingeniería de un producto para facilitar el proceso de fabricación con el fin de reducir sus costos de fabricación. DFM permitirá que los problemas potenciales se solucionen 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 directrices establecidas para las prácticas de DFM. Estas directrices de DFM ayudan a definir con precisión diversas tolerancias, reglas y controles de fabricación comunes relacionados con DFM.
Si bien el DFM es aplicable al proceso de diseño, un concepto similar llamado DFSS (diseño para Six Sigma) también se practica en muchas organizaciones.
En el proceso de diseño de PCB , el DFM genera un conjunto de pautas de diseño que intentan garantizar la viabilidad de fabricación. De esta manera, se pueden abordar los posibles problemas de producción durante la etapa de diseño.
Lo ideal es que las directrices de DFM tengan en cuenta los procesos y las capacidades de la industria manufacturera. Por ello, DFM evoluciona constantemente.
A medida que las empresas manufactureras evolucionan y automatizan cada vez más etapas de los procesos, estos tienden a volverse más baratos. El DFM se utiliza generalmente para reducir estos costos. [1] Por ejemplo, si un proceso puede ser realizado automáticamente por máquinas (es decir, colocación y soldadura de componentes SMT ), es probable que dicho proceso sea más barato que hacerlo a mano.
Diseño de semiconductores para la fabricación (DFM)
El diseño de semiconductores para fabricación (DFM) es un conjunto integral de principios y técnicas que se utilizan en el diseño de circuitos integrados (CI) para garantizar que dichos diseños se adapten sin problemas a la fabricación en grandes volúmenes con un rendimiento y una fiabilidad óptimos. El DFM se centra en anticipar posibles problemas de fabricación y modificar de forma proactiva los diseños y circuitos de los chips para mitigar su impacto.
Fondo
A medida que la tecnología de semiconductores se amplía a nodos más pequeños, los transistores y las interconexiones se vuelven increíblemente densos y sensibles a variaciones sutiles en el proceso de fabricación. Estas variaciones pueden provocar defectos que provoquen un mal funcionamiento de los chips o degraden su rendimiento. DFM tiene como objetivo minimizar el impacto de estas variaciones, mejorando el rendimiento y haciendo que la fabricación de chips sea más rentable.
Conceptos clave en DFM
Técnicas DFM
Algunas técnicas DFM comunes utilizadas en el diseño de semiconductores incluyen:
DFM y flujo de diseño
DFM está integrado en todo el flujo de diseño de semiconductores:
Importancia del DFM
El DFM es esencial para la producción exitosa y rentable de dispositivos semiconductores avanzados. [2] Al abordar de manera proactiva los problemas de capacidad de fabricación durante la etapa de diseño, el DFM conduce a:
El objetivo es diseñar para lograr un menor costo. El costo depende del tiempo, por lo que el diseño debe minimizar el tiempo requerido no solo para mecanizar (quitar el material), sino también el tiempo de configuración de la máquina CNC , la programación NC, la fijación y muchas otras actividades que dependen de la complejidad y el tamaño de la pieza.
A menos que se utilice un cuarto o quinto eje, un CNC solo puede abordar la pieza desde una única dirección. Se debe mecanizar un lado a la vez (lo que se denomina operación ) . Luego, la pieza debe voltearse de un lado a otro para mecanizar todas las características. La geometría de las características determina si la pieza debe voltearse o no. Cuantas más operaciones (volteos de la pieza), más cara será la pieza porque implica un tiempo sustancial de preparación y carga/descarga.
Cada operación (giro de la pieza) tiene un 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 una operación, entonces las piezas solo deben cargarse/descargarse una vez. Si tiene 5 operaciones, entonces el tiempo de carga/descarga es significativo.
La opción más sencilla es minimizar el número de operaciones (dar la vuelta a la pieza) para generar ahorros significativos. Por ejemplo, puede que se necesiten solo 2 minutos para mecanizar la cara de una pieza pequeña, pero se necesitará una hora para configurar la máquina para hacerlo. O bien, si hay 5 operaciones de 1,5 horas cada una, pero solo 30 minutos de tiempo total de la máquina, entonces se cobran 7,5 horas por solo 30 minutos de mecanizado. [3]
Por último, el volumen (número de piezas a mecanizar) desempeña 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 lo que costaría en cantidades de 100.
Normalmente, la ley de rendimientos decrecientes se presenta en volúmenes de 100 a 300 porque los tiempos de preparación, las herramientas personalizadas y los accesorios se pueden amortizar en el ruido. [4]
Los tipos de metales que se mecanizan con mayor facilidad son 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 requieren mucho más tiempo, por lo que son menos fáciles de fabricar. La mayoría de los tipos de plástico son fáciles de mecanizar, aunque la adición de fibra de vidrio o fibra de carbono puede reducir la maquinabilidad. Los plásticos que son particularmente blandos y gomosos pueden tener sus propios problemas de maquinabilidad.
Los metales se presentan en todas las formas. En el caso del aluminio, por ejemplo, las barras y las placas son las dos formas más comunes a partir de las cuales se fabrican las 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 en lugar de la otra. Las barras suelen costar cerca de la mitad del costo de la placa por libra. Por lo tanto, aunque la forma del material no está directamente relacionada con la geometría del componente, se puede eliminar el costo 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 amplia que sirva para la función del componente. Las tolerancias se deben especificar característica por característica. Existen formas creativas de diseñar componentes con tolerancias más bajas que aún funcionen tan bien como los que tienen tolerancias más altas.
Como el mecanizado es un proceso sustractivo, el tiempo para eliminar el material es un factor importante para determinar el costo del mecanizado. El volumen y la forma del material a eliminar, así como la velocidad con la que se pueden alimentar las herramientas, determinarán el tiempo de mecanizado. Cuando se utilizan fresas , la resistencia y la rigidez de la herramienta, que se determinan en parte por la relación longitud-diámetro de la herramienta, desempeñarán el papel más importante para determinar esa velocidad. Cuanto más corta sea la herramienta en relación con su diámetro, más rápido se puede alimentar a través del material. Una relación de 3:1 (L:D) o inferior es óptima. [5] Si no se puede lograr esa relación, se puede utilizar una solución como la que se muestra aquí. [6] Para los agujeros, la relación longitud-diámetro de las herramientas es menos crítica, pero aún así debe mantenerse por debajo de 10:1.
Existen muchos otros tipos de características que son más o menos costosas de mecanizar. Generalmente, los chaflanes cuestan menos de mecanizar 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 implica un costo 10 veces mayor. [7] Los socavados son más costosos de mecanizar. Las características que requieren herramientas más pequeñas, independientemente de la relación L:D, son más costosas.
El concepto de diseño para inspección (DFI) debe complementar y trabajar en colaboración con el diseño para manufacturabilidad (DFM) y el diseño para ensamblaje (DFA) para reducir el costo de fabricación del producto y aumentar la practicidad de la fabricación. Hay casos en los que este método podría causar retrasos en el calendario, ya que consume muchas horas de trabajo adicional, como 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 donde la alta gerencia empodera al líder del proyecto para evaluar los procesos y resultados de fabricación en comparación con las expectativas sobre el rendimiento del producto, el costo, la calidad y el tiempo de desarrollo. [8] Los expertos, sin embargo, citan la necesidad del DFI porque es crucial en el rendimiento y el control de calidad , determinando factores clave como la confiabilidad, la seguridad y los ciclos de vida del producto. [9] Para una empresa de componentes aeroespaciales , donde la inspección es obligatoria, existe el requisito de la idoneidad del proceso de fabricación para la inspección. Aquí, se adopta un mecanismo como un índice de inspeccionabilidad, que evalúa las propuestas de diseño. [10] Otro ejemplo de DFI es el concepto de gráfico de recuento acumulativo de conformidad (gráfico CCC), que se aplica en la planificación de inspección y mantenimiento para sistemas donde hay disponibles diferentes tipos de inspección y mantenimiento. [11]
La fabricación aditiva amplía la capacidad de un diseñador para optimizar el diseño de un producto o una 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 por 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 la pieza que sobresalen. La eliminación posterior al procesamiento de estas estructuras de soporte temporales aumenta el costo general 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 que sobresalen a menos del límite de la máquina, el material y el proceso de fabricación aditiva dados (por ejemplo, menos de 70 grados desde la vertical).
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