In diesem Leitfaden geben wir einen Überblick über das Design for Manufacturability (DFM), eine entscheidende Methodik, die von Designern und Ingenieuren eingesetzt wird, um kostspielige Fehler in den frühen Phasen der Produktmodellierung zu vermeiden, die den Herstellungsprozess und die Nachhaltigkeitsziele erschweren und verzögern könnten.
Dieser Leitfaden definiert diese Methodik, untersucht ihre Bedeutung für Fertigungsunternehmen, skizziert einige grundlegende Prinzipien und schließt mit einem Blick auf einige reale Beispiele für Design for Manufacturability in der Praxis.
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Grundlagen von Design of Manufacturability
Was ist Design for Manufacturability?
Design for Manufacturability oder Design for Manufacturing (DFM) ist die technische Praxis, Produkte so zu gestalten, dass ihre Herstellungsfreundlichkeit und Produktionskosten unter Berücksichtigung der Anforderungen an Form, Passung und Funktion optimiert werden. In der Fertigung stützt sich ein effektives DFM auf verschiedene Analysen für unterschiedliche Produkte und Produktionsmethoden, die von engen Toleranzen und Abkühlzeiten für Formteile bis hin zur Materialart oder Maschinenauswahl reichen. Aufgrund der vielen unterschiedlichen Fertigungsprozesse wie Werkzeugbau und Spritzguss kommt dem DFM-Prozess eine immer wichtigere Rolle bei der Sicherstellung der Herstellbarkeit und Produktqualität zu, während die Herstellungskosten während des gesamten Produktentwicklungszyklus im Rahmen gehalten werden.
Darüber hinaus setzt DFM Qualitätsstandards für die Herstellbarkeit, wie z. B. die Konsistenz von Rohstoffen und Komponenten, einen effizienten Montageprozess und die Reduzierung der Anzahl von Teilen. Die frühen Phasen der Produktdesignphase sind optimal für die Effektivität des Designs für die Herstellbarkeit, was zu besseren Entscheidungen während des gesamten Designprozesses, weniger Neugestaltungen und Unterbrechungen der Lieferkette, einem qualitativ hochwertigen Produkt, einer schnelleren Markteinführung und erheblichen Kosteneinsparungen führt. Entdecken Sie die Prinzipien von DFM sowie einige DFM-Beispiele weiter unten.
Anwendungen von Design for Manufacturability
Die genauen Anwendungen von DFM können so vielfältig sein wie die Produktionsprozesse selbst. Wir werfen später in diesem Artikel einen Blick auf einige spezifische Fallstudien. Einige Beispiele für DFM-Aufgaben auf hoher Ebene sind:
- Vergleich von Designalternativen, um zu verstehen, welche die geringsten Probleme bei der Herstellbarkeit aufweist und am kostengünstigsten zu produzieren ist.
- Identifizierung von Designmerkmalen, die unnötigerweise die Anforderungen an zusätzliche Fertigungsverfahren erhöhen oder sich negativ auf Nachhaltigkeitsinitiativen auswirken.
- Aufdecken, warum ein Design zu höheren Geboten von Partnern in der Lieferkette führt als erwartet.
- Sicherstellen, dass Fertigungsprobleme nicht in späteren Phasen des Design-Lebenszyklus auftreten und eine zeitkritische Produkteinführung verzögern.
Aufgrund der Vielzahl an Fertigungsprozessen und komplexen Kostentreibern war die DFM-Produktmodellierung in der Vergangenheit eine große analytische Herausforderung. Heute ermöglichen digitale Fertigungssimulationswerkzeuge den Ingenieurbüros die Einführung einer umfassenden DFM-Modellierung, die in der Vergangenheit rechnerisch nicht möglich gewesen wäre.
Geschichte des Designs für Herstellbarkeit
Bei jedem kommerziellen Designprozess wird vermutlich zumindest ein wenig darauf geachtet, wie das zugrunde liegende Produkt letztendlich hergestellt wird. Das Design für Herstellbarkeit hat sich jedoch zu einem formalisierteren, analytischeren Ansatz für dieses grundlegende Anliegen entwickelt – ein dramatischer Bruch mit den historischen Praktiken.
Traditionell basiert das Design für Herstellbarkeit
- auf Versuch und Irrtum: Abgesehen von der Skalierung von Pilotproduktionslinien hatten Hersteller nur begrenzte Möglichkeiten, die Produktion wirklich zu modellieren. Diese Einschränkung hat sich in den letzten Jahren mit der allgemeinen Einführung des 3D-Drucks weiterentwickelt – aber selbst dies kann zeitaufwendig und teuer sein.
- stützte sich stark auf Erfahrungen aus der Vergangenheit: In Ermangelung einer digitalen Fertigungssimulation sind vergleichbare frühere Projekte die einzige zuverlässige Datenquelle zur Herstellbarkeit.
- Wir waren auf relativ ad hoc durchgeführte Berechnungen beschränkt. Während Tools wie Tabellenkalkulationssoftware für einfache Berechnungen der Herstellbarkeit hilfreich sind, verfügen sie nur über wenige Mechanismen zur Analyse komplexer Zusammenhänge zwischen Design, Fertigungsprozess, Nachhaltigkeit und Kostenstruktur.
- Sie existierten in einem separaten organisatorischen Silo vom Design. Eine vollständige Trennung der beruflichen Verantwortlichkeiten von Design- und Produktionsingenieuren kann sehr problematisch sein, da so viele Produktionsparameter bereits in der Entwurfsphase festgelegt werden.
Dank leistungsstarker neuer Software-Tools für die DFM-Analyse können Unternehmen heute ein weitaus umfassenderes Verständnis für Fragen der Herstellbarkeit und Nachhaltigkeit in ihren Designprozess einbringen.
Weitere Informationen zu dieser Software und ihrer Funktionalität finden Sie weiter unten.
Hauptvorteile von DFM
- Die frühe Produktgestaltung bestimmt zu 80 % die Umweltauswirkungen während des gesamten Lebenszyklus. Ohne eine solide DFM-Modellierung besteht die Gefahr, dass Probleme bei der Herstellbarkeit und Nachhaltigkeit erst dann zutage treten, wenn ein Produkt bereits in Produktion gegangen ist. Mit den richtigen DFM-Tools können Probleme bei der Herstellbarkeit und Nachhaltigkeit bereits während der Produktgestaltung erkannt werden, wodurch das Risiko bei der Entwicklung neuer Produkte drastisch gesenkt und der CO2-Fußabdruck verringert wird.
- Die leistungsstärksten Tools für die Herstellbarkeit bieten nicht nur Warnungen vor Fertigungsproblemen, sondern auch umsetzbare Empfehlungen zu deren Lösung. In vielen Fällen kann ein relativ einfacher Design-Tweak das potenzielle Problem abwenden.
- Bei bestehenden Produktangeboten kann die Ermittlung von Möglichkeiten zur Optimierung des Fertigungsprozesses Erkenntnisse und Möglichkeiten zur Senkung der Kosten und Reduzierung der CO2-Emissionen aufdecken, ohne die Form, Passform und Funktion eines Designs übermäßig zu beeinträchtigen. Die Optimierung von Designs für die Herstellbarkeit kann auch dazu beitragen, die Produktions- und Vertriebszeiten zu verkürzen.
- Für Unternehmen, die Produkte entwerfen und die Fertigung auslagern, können ausgefeilte DFM-Analysefunktionen die Produktentwicklungszeiten beschleunigen. Anstatt darauf zu warten, dass Lieferanten für jede Design-Iteration Angebote und Feedback zur Herstellbarkeit bereitstellen, können Ingenieure die Herstellbarkeit intern analysieren. So ist beispielsweise die Zykluszeit ein wichtiger Faktor für Kosten und CO2-Emissionen. Durch die Nutzung von Berechnungen und Analysen können wir Nachhaltigkeit darauf aufbauen und einen direkten Vergleich ohne Verzögerung beim Design ermöglichen. Dadurch können Hersteller schnell iterieren, um eine optimale Lösung zwischen Kosten und CO2-Ausstoß zu finden. Erfahren Sie mehr über Kosten versus CO2-Ausgleich.
Die fertigungsgerechte Gestaltung ist zwar von entscheidender Bedeutung, aber nur ein Teil des Puzzles, wenn es darum geht, die Produktkosten zu optimieren und den CO2-Fußabdruck zu verringern. Erfahren Sie mehr darüber, wie Sie die Produktkostenentwicklung für Ihr Unternehmen optimieren können.
Wer ist für DFM verantwortlich?
Design for Manufacturability kann je nach organisatorischem Kontext in den Aufgabenbereich mehrerer Fertigungsmitarbeiter fallen.
- In Unternehmen, die neue Produkte entwickeln, können Designer und Ingenieure DFM-Tools, -Erkenntnisse und -Methoden nutzen, um Probleme bei der Herstellbarkeit und Nachhaltigkeit sowie Kostenüberschreitungen proaktiv zu vermeiden.
- Kostenplaner können DFM-Analysen auf aktuelle Produktangebote anwenden, um Bereiche für Möglichkeiten zur Kostensenkung durch Herstellbarkeit zu ermitteln.
Design for Manufacturability vs. Design for Assembly
Es kann hilfreich sein, zwischen Design for Manufacturability und dem eng damit verbundenen Design for Assembly zu unterscheiden.
Design for Assembly bezieht sich auf die Gestaltung eines Produkts, um die Montage und Demontage für Reparaturen und Wartungsarbeiten zu vereinfachen. Dieser Ansatz konzentriert sich häufig auf Prinzipien wie die Minimierung der Gesamtzahl der verwendeten Teile, die Sicherstellung, dass die Teile leicht eingesetzt werden können, und die Beschränkung der Montageanforderungen auf einfache, sich wiederholende Bewegungen.
Viele dieser Eigenschaften können auf Nachhaltigkeit angewendet werden. Die Reduzierung der Gesamtzahl der verwendeten Teile und die Gewährleistung, dass sie für Reparaturen und Wartungsarbeiten leicht demontiert werden können, tragen alle zur Verringerung des CO2-Fußabdrucks bei. Andererseits ist das Design for Manufacturability ein Präventivschlag, bei dem bereits in der Entwurfsphase Produkte geschaffen werden, die den CO2-Fußabdruck vor und nach der Produktion umfassend verringern.
Dieser Fokus ist viel spezifischer als das Design für die Herstellbarkeit, das Fertigungsprozesse von der Blechbearbeitung bis hin zum Kunststoffformen, Gießen und Bearbeiten abdecken kann.
Richtlinien für die fertigungsgerechte Konstruktion: Grundprinzipien
Im Folgenden werden einige der wichtigsten grundlegenden Konzepte des Designs für die Herstellbarkeit erläutert.
Jedes dieser Prinzipien hat ein gemeinsames Thema: Die direkte Verknüpfung von Herstellbarkeits- und Nachhaltigkeitsfragen mit Designentscheidungen ist an und für sich schon eine beachtliche analytische Leistung.
Um wirklich zu verstehen, wie sich jede einzelne Designentscheidung auf die allgemeinen Fertigungsanforderungen und die Umweltauswirkungen auswirkt, sind Tools erforderlich, mit denen Dutzende verschiedener Fertigungsprozesse auf der Grundlage von Input auf Designebene wie 3D-CAD-Dateien simuliert werden können. Die Prinzipien sind zwar ein guter Anfang, aber die digitale Fertigungssimulation ist der Schlüssel zur Lösung des analytischen Problems, das im Mittelpunkt von DFM steht.
Optimierung des Fertigungsprozesses und mehr
Kostentransparenz in Echtzeit
Eine Strategie zur Herstellbarkeitsanalyse geht Hand in Hand mit anderen modernen Methoden zur Integration eines ganzheitlicheren Ansatzes für die Kostenstruktur in das Produktdesign.
Dieselben simulationsgesteuerten Tools und Erkenntnisse, die eine schnelle Erstellung prozessspezifischer Herstellbarkeitsanalysen ermöglichen, bringen eine beispiellose Präzision in die Modellierung der Herstellungskosten.
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Die Schlüsselrolle der Software zur Modellierung von Fertigungskosten bei faktenbasierten Verhandlungen
Die Generierung umsetzbarer Faktoren für die Produktkosten von Lieferanten erfordert detaillierte Einblicke in die zugrunde liegenden Faktoren, darunter:
- Materialkosten/Kosten des Fertigungsprozesses
- Arbeitskosten
- Gemeinkosten
- Investitionen in Werkzeuge/Anlagen
Die Berechnung der Wechselwirkung dieser Faktoren auf die endgültige Kostenstruktur eines Bauteils ist eine sehr komplexe analytische Herausforderung. Eine optimierte Materialauswahl kann beispielsweise einen anderen Fertigungsprozess erfordern, der nur in einer anderen Produktionsstätte mit weitaus höheren Miet- und Transportkosten verfügbar ist.
Die richtige Software zur Modellierung von Herstellungskosten erleichtert die Gewinnung detaillierter Einblicke in die Kostenstruktur, die sich auf die Verhandlungen mit Lieferanten auswirken können.
Drei Schritte zur fertigungsgerechten Konstruktion
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- DFM-Analyse so früh wie möglich in den Designprozess einbeziehen: Je früher die Herstellung und Nachhaltigkeit berücksichtigt werden, desto mehr Änderungen können vorgenommen werden. Sobald mit der Werkzeugbereitstellung begonnen wurde, werden die Möglichkeiten für eine Umgestaltung immer begrenzter. Um alle mit DFM verbundenen Vorteile effektiv zu nutzen, sind verschiedene rechenintensive Analysen erforderlich, die alle am wirkungsvollsten durchgeführt werden, wenn ein Produkt noch in der Entwurfsphase ist. Die richtige Software ist unerlässlich, um diese eingehende Analyse durchzuführen, ohne Innovationen zu behindern, Nachhaltigkeitsbemühungen zu beeinträchtigen oder die Zeitpläne für die Produktentwicklung zu verzögern.
- Erkennen Sie Möglichkeiten für eine kooperative Produktentwicklung: Wenn die Fertigung im eigenen Haus durchgeführt wird, muss die DFM-Modellierung ein Punkt der Zusammenarbeit zwischen Produktions- und Konstruktionsingenieuren sein. Fertigungsexperten sollten direkt mit den Konstrukteuren zusammenarbeiten, um optimale Designentscheidungen für die vorhandenen Fertigungsressourcen und -beschränkungen zu ermöglichen. Ebenso bietet DFM bei der Zusammenarbeit mit Lieferanten bei der Herstellung neuer Produktdesigns eine Brücke der Zusammenarbeit zwischen diesen beiden Parteien, wodurch die Identifizierung und Beseitigung von Problemen bei der Herstellbarkeit verbessert und Nachhaltigkeitsziele bereits in einem frühen Stadium des Designlebenszyklus unterstützt werden. Diese Art der konstruktiven Zusammenarbeit ist wichtiger geworden, da Erstausrüster die Produktherstellung zunehmend an Lieferkettenpartner auslagern, die sich möglicherweise in einem anderen Land oder einer anderen Zeitzone befinden und möglicherweise nicht dieselbe Sprache sprechen. Die DFM-Analyse basiert auf einer digitalen Fertigungssimulation, die die Überprüfung und Markierung neuer Entwürfe erleichtert und es diesen Parteien ermöglicht, auf eine Weise zusammenzuarbeiten, die vor einem Jahrzehnt noch nicht möglich war.
- Integration in eine umfassendere Strategie zur Modellierung der Herstellungskosten: Die Herstellbarkeit ist einer der Faktoren, die in der Entwurfsphase am schwierigsten effektiv zu analysieren sind. Sie ist jedoch nicht der einzige Faktor, der die Kostenstruktur eines Produkts beeinflussen kann. Bedenken, die vom Gewicht und der Größe des Produkts über die Materialausnutzung und den Ausschuss bis hin zu den Werkzeugkosten, den Arbeitskosten und den Gemeinkosten reichen, haben enorme Auswirkungen auf die Produktkostenstruktur (und stehen in engem Zusammenhang mit der Herstellbarkeit).
Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie Sie Kosten senken und Geld sparen können? Hören Sie sich unseren Podcast zum Thema „Bargeldverwaltung in einer Wirtschaftskrise“ an.
(P.S.: Diese Tipps funktionieren in jedem Szenario)
Beispiele für fertigungsgerechtes Design
Im Folgenden stellen wir drei konkrete Beispiele für die fertigungsgerechte Konstruktion vor. Diese Kunden haben die digitale Fertigungssimulationssoftware aPriori eingesetzt, um die Modellierungsfunktionen für die Fertigungsfähigkeit in ihrem Konstruktionsprozess zu verbessern.
Rafael nutzt DFM (Design for Manufacturability), um Kosten zu senken und die Beschaffung zu verbessern
Rafael, ein israelisches Luft- und Raumfahrtunternehmen, verwendet aPriori als unternehmensweite digitale Fertigungssimulationssoftware, einschließlich DFM-Analysen. Bei einem der Teile des Unternehmens wurden alle Angebote abgelehnt, sodass das Unternehmen beschloss, es mit aPriori zu analysieren.
aPriori zeigte eine fast unmögliche Unterschneidung in der Fräsbahn. Dieses Designmerkmal war letztlich eine weitgehend willkürliche Entscheidung und durch seine Beseitigung konnten die Kosten um über 50 % gesenkt werden. Das neue Design war nicht nur weitaus kostengünstiger, sondern zog auch viel mehr Angebote von potenziellen Lieferanten an.
Erfahren Sie mehr über diese Erfolgsgeschichte von Rafael.
Carrier transformiert Geschäft mit DFM (Design for Manufacturing) und aPriori
Carrier wollte die Silos in der Fertigung aufbrechen und sein Ingenieursteam in die Lage versetzen, die Leistungsfähigkeit von aPriori zu nutzen, um die Kosten und Angebote zu optimieren, ohne den Entwurfsprozess zu unterbrechen oder zu verzögern.
In diesem Video erfahren Sie, wie Carrier aP Design nutzt, um eine Kostenmodellierung in der späten Phase durchzuführen, während es die traditionellen Gates wie das PLM sowie den Entwurfsprozess durchläuft. aPriori hilft Carrier, neue Wertströme effizient und kostengünstig zu innovieren und zu validieren.
Wie Spirit Aerosystems aPriori nutzt, um frühzeitig Kostenausreißer zu identifizieren
In diesem Video erfahren Sie, wie Spirit Aerosystems die Fertigungserkenntnisse von aPriori nutzt, um Teile auf Kostentreiber zu untersuchen und Möglichkeiten zur Kostensenkung zu ermitteln. Erfahren Sie, wie Spirit Aerosystems aP Pro zur Unterstützung der Entwicklung interner Schätzungen für die Fertigung diskreter Teile einsetzt.
Worauf Sie bei einer Software für die Design-Herstellbarkeit achten sollten
Um die Wirkung zu maximieren, sollte eine Software für die fertigungsgerechte Konstruktion präzise Analysefunktionen bieten, die viele verschiedene Fertigungsprozesse abdecken. Sie sollte in der Lage sein, diese Erkenntnisse in Echtzeit an die Konstrukteure weiterzugeben, damit diese schnell die Auswirkungen verschiedener Fertigungsszenarien auf verschiedene Konstruktionsalternativen untersuchen können.
DFM-Software sollte schnell und benutzerfreundlich sein
Um Fertigungsanalysen während der Entwurfsphase zu erstellen, muss Ihre Software extrem schnell und sehr benutzerfreundlich sein. Bei aPriori beginnt der Modellierungsprozess mit der Analyse eines 3D-CAD-Modells, um einen digitalen Zwilling zu erstellen. Nach der Angabe einiger grundlegender Eingaben wie Produktionsvolumen, Fertigungsprozess und Fertigungsstandort kann aPriori die Produktion in einer „digitalen Fabrik“ simulieren, um in Sekundenschnelle Herstellbarkeits-, Nachhaltigkeits- und Kostenmodelle zu erstellen.
Neben der schnellen Durchführung von Fertigungssimulationen sollte die Ausgabe der Analyse äußerst einfach zu interpretieren sein. Die Identifizierung potenzieller Probleme bei der Herstellbarkeit sollte stark grafisch sein und Bereiche für Verbesserungen genau bestimmen. Beispielsweise sollte das System in der Lage sein, alle Bearbeitungsvorgänge, bei denen die Zykluszeit ungewöhnlich hoch ist, schnell zu identifizieren. Dafür kann es zwar einen guten Grund geben, aber es kann auch ein Konstruktionsfehler identifiziert werden, der, wenn er korrigiert wird, den Fertigungsprozess erheblich beschleunigen und die Kosten entsprechend senken könnte.
Die effektivste DFM-Software simuliert wichtige Fertigungsprozesse
Um detaillierte DFM-Erkenntnisse zu gewinnen, gibt es keinen Ersatz für eine detaillierte digitale Fertigungssimulation.
Diese Simulation muss eine Vielzahl potenzieller Produktionsprozesse umfassen, damit die digitale Fabrik in der Lage ist, nahezu jedes potenzielle Design zu modellieren. Eine kurze repräsentative Liste der Fertigungsprozesse, die von aPriori out-of-the-box unterstützt werden, umfasst beispielsweise:
Die vollständige Liste der von aPriori verwendeten Modelle finden Sie in unserem Datenblatt.
Um den vollen Wert der von Ihrer DFM-Software bereitgestellten Erkenntnisse zu realisieren, ist der letzte Schritt ein Kulturwandel hin zu einer kostenbewussten, nachhaltigen Produktentwicklungskultur. Ingenieure sind darauf trainiert, zuerst an Funktionalität und Zuverlässigkeit zu denken, und die Modellierung der Herstellbarkeit in der Entwurfsphase stellt eine zusätzliche analytische Komplexität dar. Die Bereitschaft, ein Produkt von Grund auf neu zu überdenken, ist ein wesentliches Element, um die aussagekräftigste Schätzung zu erstellen.
Für einen umfassenden Überblick über unsere regionalen Datenbibliotheken laden Sie unser Datenblatt herunter.
Zusammenfassung: Die Auswahl der richtigen Software ist entscheidend für die Maximierung der Strategie
Wie wir in diesem Leitfaden untersucht haben, können die analytischen Fähigkeiten, die erforderlich sind, um die Herstellbarkeit und Nachhaltigkeit eines Designs wirklich zu verstehen, einen vielschichtigen Geschäftswert schaffen: beschleunigte Produktentwicklungszeiten, geringere CO2-Bilanz, beispiellose Zusammenarbeit zwischen Designern und Fertigungsingenieuren und letztlich Produkte, die so kostengünstig wie möglich sind.
Um bei dieser Analyse nichts unversucht zu lassen, sollte die DFM-Software umfassend sein und die Auswirkungen auf die Herstellbarkeit von der Produktion über die Arbeit bis hin zum Vertrieb abschätzen können. Aber selbst die umfassendste Analyse wird die in diesem Leitfaden beschriebenen Vorteile nicht erschließen, wenn sie nicht im Rahmen eines schnelllebigen, kollaborativen Designprozesses anwendbar ist. Genau aus diesem Grund ist die Auswahl des richtigen DFM-Toolkits so wichtig.
Wir haben einen detaillierten Leitfaden mit zahlreichen praktischen Ratschlägen erstellt, um potenziellen Käufern bei der Auswahl der für ihre geschäftlichen Anforderungen am besten geeigneten Software zu helfen.
Erfahren Sie, wie die Produktkostenkalkulationssoftware von aPriori jeden zum Kostenexperten machen kann.
aPriori bietet umsetzbare Erkenntnisse für eine bessere Fertigung
aPriori bietet eine einzigartige, durchgängige digitale Zwillingslösung, die es Herstellern ermöglicht, schnell neue Möglichkeiten für Innovation, Wachstum, Kosteneinsparungen und Nachhaltigkeit zu erschließen und zu identifizieren. Mit aPriori erzielen Kunden eine Rendite von ca. 600 % und eine Amortisation innerhalb von sechs Monaten nach Einführung unserer Softwareplattform. Unternehmen nutzen unsere automatisierten Fertigungserkenntnisse, um Produktkosten zu senken, die Produktivität zu steigern und den CO2-Fußabdruck ihrer Produkte zu reduzieren. aPriori steigert auch die Investitionen von Herstellern in den digitalen Faden, um einen Mehrwert in großem Maßstab zu schaffen, die Agilität zu erhöhen und Risiken zu minimieren.
Einige der innovativsten und nachhaltigsten Hersteller der Welt nutzen aPriori, darunter Boeing, Carrier, Danfoss, Navistar, Thales und Toyota. aPriori hat seinen Hauptsitz in Concord, Massachusetts, USA, und unterhält Niederlassungen in Deutschland, Japan, Nordirland und Schweden.
