Design für Herstellbarkeit - Design for manufacturability

Umgestaltet für Herstellbarkeit

Design for Herstellbarkeit (manchmal auch als Design for Manufacturing oder DFM bekannt ) ist die allgemeine Ingenieurpraxis , Produkte so zu gestalten, dass sie einfach herzustellen sind. Das Konzept existiert in fast allen Ingenieurdisziplinen, die Umsetzung unterscheidet sich jedoch je nach Fertigungstechnologie stark. DFM beschreibt den Prozess des Entwerfens oder Konstruierens eines Produkts, um den Herstellungsprozess zu erleichtern , um seine Herstellungskosten zu senken. DFM ermöglicht es, potenzielle Probleme in der Entwurfsphase zu beheben, die der kostengünstigste Ort ist, um sie zu beheben. Andere Faktoren können die Herstellbarkeit beeinflussen, wie die Art des Rohmaterials, die Form des Rohmaterials, Maßtoleranzen und die Nachbearbeitung wie die Endbearbeitung.

Abhängig von verschiedenen Arten von Herstellungsprozessen gibt es Richtlinien für DFM-Praktiken. Diese DFM-Richtlinien helfen dabei, verschiedene Toleranzen, Regeln und allgemeine Fertigungsprüfungen im Zusammenhang mit DFM genau zu definieren.

Während DFM auf den Designprozess anwendbar ist, wird in vielen Organisationen ein ähnliches Konzept namens DFSS (Design for Six Sigma) praktiziert.

Für Leiterplatten (PCB)

Im PCB- Designprozess führt DFM zu einer Reihe von Designrichtlinien, die versuchen, die Herstellbarkeit sicherzustellen. Auf diese Weise können wahrscheinliche Produktionsprobleme während der Konstruktionsphase angegangen werden.

Im Idealfall berücksichtigen DFM-Richtlinien die Prozesse und Fähigkeiten der Fertigungsindustrie. Daher entwickelt sich DFM ständig weiter.

Da sich Fertigungsunternehmen weiterentwickeln und immer mehr Prozessstufen automatisieren, werden diese Prozesse tendenziell billiger. DFM wird normalerweise verwendet, um diese Kosten zu reduzieren. Wenn beispielsweise ein Prozess automatisch von Maschinen durchgeführt werden kann (dh SMT- Komponentenplatzierung und Löten), ist ein solcher Prozess wahrscheinlich billiger als dies von Hand.

Für integrierte Schaltkreise (IC)

Die Erzielung ertragreicher Designs ist in der modernen VLSI- Technologie aufgrund der Miniaturisierung sowie der Komplexität von Spitzenprodukten zu einer äußerst anspruchsvollen Aufgabe geworden. Hier umfasst die DFM-Methodik eine Reihe von Techniken, um das Design von integrierten Schaltungen (IC) zu modifizieren , um sie besser herstellbar zu machen, dh ihre funktionale Ausbeute, parametrische Ausbeute oder ihre Zuverlässigkeit zu verbessern.

Hintergrund

Traditionell bestand DFM in der Prä-Nanometer-Ära aus einer Reihe verschiedener Methoden, die versuchten, einige weiche (empfohlene) Entwurfsregeln in Bezug auf die Formen und Polygone des physischen Layouts einer integrierten Schaltung durchzusetzen . Diese DFM-Methoden funktionierten hauptsächlich auf der vollständigen Chipebene. Darüber hinaus wurden Worst-Case-Simulationen auf verschiedenen Abstraktionsebenen angewendet, um die Auswirkungen von Prozessschwankungen auf die Leistung und andere Arten von parametrischen Ausbeuteverlusten zu minimieren. All diese verschiedenen Arten von Worst-Case-Simulationen basierten im Wesentlichen auf einem Basissatz von Worst-Case- (oder Eck-) SPICE- Geräteparameterdateien, die die Variabilität der Transistorleistung über den gesamten Variationsbereich eines Herstellungsprozesses darstellen sollten.

Taxonomie von Ertragsverlustmechanismen

Die wichtigsten Ertragsverlustmodelle (YLMs) für VLSI-ICs können aufgrund ihrer Beschaffenheit in mehrere Kategorien eingeteilt werden.

  • Der funktionale Ertragsverlust ist immer noch der dominierende Faktor und wird durch Mechanismen wie Fehlverarbeitung (zB gerätebezogene Probleme), systematische Effekte wie Druckbarkeits- oder Planarisierungsprobleme und rein zufällige Defekte verursacht.
  • Hochleistungsprodukte können parametrische Designmarginalitäten aufweisen, die entweder durch Prozessschwankungen oder Umgebungsfaktoren (wie Versorgungsspannung oder Temperatur) verursacht werden.
  • Auch die prüfungsbedingten Ertragsverluste , die durch fehlerhafte Prüfungen verursacht werden, können eine wesentliche Rolle spielen.

Techniken

Nach dem Verständnis der Ursachen von Ertragsverlusten besteht der nächste Schritt darin, das Design so widerstandsfähig wie möglich zu gestalten. Dazu verwendete Techniken sind:

  • Ersetzen von Zellen mit höherem Ertrag, wo es das Timing, die Leistung und die Routingfähigkeit erlaubt.
  • Ändern Sie den Abstand und die Breite der Verbindungsdrähte, wenn möglich
  • Optimierung der Redundanz in internen Speichern.
  • Ersetzen von fehlertoleranten (redundanten) Vias in einem Design, wo möglich

All dies erfordert ein detailliertes Verständnis der Renditeverlustmechanismen, da diese Änderungen gegeneinander ablaufen. Beispielsweise verringert die Einführung redundanter Durchkontaktierungen die Wahrscheinlichkeit von Durchkontaktierungsproblemen , erhöht jedoch die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Kurzschlüsse. Ob dies eine gute Idee ist, hängt daher von den Details der Ertragsverlustmodelle und den Merkmalen der jeweiligen Konstruktion ab.

Für CNC-Bearbeitung

Zielsetzung

Ziel ist es, kostengünstiger zu gestalten. Die Kosten sind zeitabhängig , daher muss die Konstruktion nicht nur die Zeit für die Bearbeitung (Entfernen des Materials) minimieren, sondern auch die Rüstzeit der CNC-Maschine , die NC-Programmierung, das Einspannen und viele andere Aktivitäten, die von der Komplexität und Größe des Teils.

Einrichtzeit der Operationen (Umdrehen des Teils)

Sofern keine 4. &/oder 5. Achse verwendet wird, kann eine CNC das Teil nur aus einer einzigen Richtung anfahren. Es muss jeweils eine Seite bearbeitet werden (als Operation oder Op bezeichnet). Dann muss das Teil von einer Seite zur anderen gedreht werden, um alle Features zu bearbeiten. Die Geometrie der Features bestimmt, ob das Teil umgedreht werden muss oder nicht. Je mehr Ops (Umdrehen des Teils) desto teurer ist das Teil, da es erhebliche Zeit für das "Einrichten" und "Laden/Entladen" benötigt.

Jede Operation (Umdrehen des Teils) hat Einrichtzeit, Maschinenzeit, Zeit zum Laden/Entladen von Werkzeugen, Zeit zum Laden/Entladen von Teilen und Zeit zum Erstellen des NC-Programms für jede Operation. Wenn ein Teil nur 1 Arbeitsgang hat, müssen Teile nur einmal geladen/entladen werden. Wenn es 5 Operationen hat, dann ist die Lade-/Entladezeit von Bedeutung.

Die niedrig hängenden Früchte minimieren die Anzahl der Operationen (Umdrehen des Teils), um erhebliche Einsparungen zu erzielen. Zum Beispiel kann es nur 2 Minuten dauern, die Vorderseite eines kleinen Teils zu bearbeiten, aber es dauert eine Stunde, bis die Maschine dafür eingerichtet ist. Oder bei 5 Arbeitsgängen à 1,5 Stunden, aber nur 30 Minuten Gesamtbearbeitungszeit, dann werden 7,5 Stunden für nur 30 Minuten Bearbeitung verrechnet.

Schließlich spielt das Volumen (Anzahl der zu bearbeitenden Teile) eine entscheidende Rolle bei der Amortisation der Rüstzeit, der Programmierzeit und anderer Aktivitäten in die Kosten des Teils. Im obigen Beispiel könnte das Teil in Mengen von 10 das 7- bis 10-fache der Kosten in Mengen von 100 kosten.

Typischerweise tritt das Gesetz des abnehmenden Ertrags bei Volumina von 100–300 auf, da sich Rüstzeiten, Sonderwerkzeuge und Vorrichtungen in den Lärm amortisieren können.

Materialtyp

Zu den am einfachsten zu bearbeitenden Metallarten gehören Aluminium , Messing und weichere Metalle. Wenn Materialien härter, dichter und fester werden, wie Stahl , Edelstahl , Titan und exotische Legierungen, werden sie viel schwieriger zu bearbeiten und brauchen viel länger, wodurch sie weniger herstellbar sind. Die meisten Kunststoffarten sind leicht zu bearbeiten, obwohl Zusätze von Glasfaser oder Kohlefaser die Bearbeitbarkeit beeinträchtigen können. Kunststoffe, die besonders weich und gummiartig sind, können eigene Bearbeitbarkeitsprobleme haben.

Materialform

Metalle gibt es in allen Formen. Im Fall von Aluminium beispielsweise sind Stangenmaterial und Blech die beiden häufigsten Formen, aus denen bearbeitete Teile hergestellt werden. Die Größe und Form des Bauteils kann bestimmen, welche Materialform verwendet werden muss. Bei technischen Zeichnungen ist es üblich, eine Form über der anderen anzugeben. Stangenmaterial beträgt im Allgemeinen etwa die Hälfte der Kosten für Platten pro Pfund. Obwohl die Materialform also nicht direkt mit der Geometrie des Bauteils zusammenhängt, können die Kosten in der Konstruktionsphase durch die Angabe der kostengünstigsten Form des Materials reduziert werden.

Toleranzen

Ein wesentlicher Faktor, der zu den Kosten einer bearbeiteten Komponente beiträgt, ist die geometrische Toleranz, mit der die Merkmale hergestellt werden müssen. Je enger die erforderliche Toleranz ist, desto teurer ist die Bearbeitung des Bauteils. Geben Sie bei der Konstruktion die engste Toleranz an, die der Funktion des Bauteils dient. Toleranzen müssen von Feature zu Feature angegeben werden. Es gibt kreative Möglichkeiten, Komponenten mit geringeren Toleranzen zu entwickeln, die dennoch eine gute Leistung erbringen, sowie solche mit höheren Toleranzen.

Design und Form

Da es sich bei der Bearbeitung um einen subtraktiven Prozess handelt, ist die Zeit zum Abtragen des Materials ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Bearbeitungskosten. Volumen und Form des abzutragenden Materials sowie die Zustellgeschwindigkeit der Werkzeuge bestimmen die Bearbeitungszeit. Bei der Verwendung von Fräsern spielt die Festigkeit und Steifigkeit des Werkzeugs, die teilweise durch das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Werkzeugs bestimmt wird, die größte Rolle bei der Bestimmung dieser Geschwindigkeit. Je kürzer das Werkzeug im Verhältnis zu seinem Durchmesser ist, desto schneller kann es durch das Material geführt werden. Ein Verhältnis von 3:1 (L:D) oder darunter ist optimal. Wenn dieses Verhältnis nicht erreicht werden kann, kann eine Lösung wie die hier dargestellte verwendet werden. Bei Bohrungen ist das Verhältnis Länge zu Durchmesser der Werkzeuge weniger kritisch, sollte aber dennoch unter 10:1 gehalten werden.

Es gibt viele andere Arten von Merkmalen, deren Bearbeitung mehr oder weniger teuer ist. Im Allgemeinen kosten Fasen weniger Kosten als Radien an äußeren horizontalen Kanten. 3D-Interpolation wird verwendet, um Radien an Kanten zu erzeugen, die nicht auf derselben Ebene liegen, was 10x die Kosten verursacht. Hinterschnitte sind teurer zu bearbeiten. Funktionen, die unabhängig vom L:D-Verhältnis kleinere Werkzeuge erfordern, sind teurer.

Design für Inspektion

Das Konzept des Design for Inspection (DFI) sollte ergänzen und in Zusammenarbeit mit Design for Manufacturability (DFM) und Design for Assembly (DFA) funktionieren , um die Produktherstellungskosten zu senken und die Herstellungspraktikabilität zu erhöhen. Es gibt Fälle, in denen diese Methode zu Verzögerungen im Kalender führen kann, da sie viele Stunden zusätzlicher Arbeit in Anspruch nimmt, z. B. wenn Präsentationen und Dokumente für die Entwurfsprüfung vorbereitet werden müssen. Um dies anzugehen, wird vorgeschlagen, dass Organisationen anstelle von regelmäßigen Inspektionen den Rahmen der Befähigung übernehmen könnten, insbesondere in der Phase der Produktentwicklung, bei der die Geschäftsleitung den Projektleiter ermächtigt, Herstellungsprozesse und -ergebnisse anhand der Erwartungen in Bezug auf Produktleistung, Kosten zu bewerten , Qualität und Entwicklungszeit. Experten berufen sich jedoch auf die Notwendigkeit des DFI, da es für die Leistungs- und Qualitätskontrolle entscheidend ist und Schlüsselfaktoren wie Produktzuverlässigkeit, Sicherheit und Lebenszyklen bestimmt. Für ein Unternehmen für Luft- und Raumfahrtkomponenten , bei dem eine Inspektion vorgeschrieben ist, besteht die Anforderung, dass der Herstellungsprozess für die Inspektion geeignet ist. Hier wird ein Mechanismus wie beispielsweise ein Prüfbarkeitsindex verwendet, der Designvorschläge bewertet. Ein weiteres Beispiel für DFI ist das Konzept der kumulativen Anzahl von konformen Diagrammen (CCC-Chart), das in der Inspektions- und Wartungsplanung für Systeme angewendet wird, bei denen verschiedene Arten von Inspektion und Wartung verfügbar sind.

Design für die additive Fertigung

Hauptartikel: Design für die additive Fertigung

Die additive Fertigung erweitert die Fähigkeit eines Konstrukteurs, das Design eines Produkts oder Teils zu optimieren (z. B. um Materialien einzusparen). Designs, die für die additive Fertigung maßgeschneidert sind, unterscheiden sich manchmal sehr von Designs, die für Bearbeitungs- oder Umformverfahren zugeschnitten sind.

Darüber hinaus werden aufgrund einiger Größenbeschränkungen von additiven Fertigungsmaschinen manchmal die zugehörigen größeren Konstruktionen in kleinere Abschnitte mit Selbstmontagemerkmalen oder Befestigungselementen-Locators aufgeteilt.

Ein gemeinsames Merkmal additiver Fertigungsverfahren wie Fused Deposition Modeling ist der Bedarf an temporären Stützstrukturen für überhängende Teilemerkmale. Das Entfernen dieser temporären Stützstrukturen nach der Verarbeitung erhöht die Gesamtkosten der Herstellung. Teile können für die additive Fertigung entworfen werden, indem temporäre Stützstrukturen eliminiert oder reduziert werden. Dies kann erreicht werden, indem der Winkel der überhängenden Strukturen auf weniger als die Grenze der gegebenen additiven Fertigungsmaschine, des Materials und des Prozesses begrenzt wird (z. B. weniger als 70 Grad von der Vertikalen).

Siehe auch

Verweise

Quellen

  • Mentor Graphics - DFM: Was ist das und was wird es tun? (muss das Anfrageformular ausfüllen).
  • Mentor Graphics - DFM: Magic Bullet oder Marketing Hype (Anfrageformular ausfüllen).
  • Electronic Design Automation for Integrated Circuits Handbook , von Lavagno, Martin und Scheffer, ISBN  0-8493-3096-3 Eine Übersicht über das Gebiet der EDA. Die obige Zusammenfassung wurde mit Genehmigung aus Band II, Kapitel 19, Design for Manufacturability in the Nanometer Era , von Nicola Dragone, Carlo Guardiani und Andrzej J. Strojwas abgeleitet.
  • Design for Manufacturability and Statistical Design: A Constructive Approach , von Michael Orshansky, Sani Nassif, Duane Boning ISBN  0-387-30928-4
  • Schätzung von Weltraum-ASICs mit SEER-IC/H , von Robert Cisneros, Tecolote Research, Inc. (2008) Vollständige Präsentation

Externe Links