Projektowanie pod kątem możliwości produkcyjnych - Design for manufacturability

Przeprojektowany pod kątem możliwości produkcyjnych

Projektowanie pod kątem produkcyjności (czasami znane również jako projektowanie dla produkcji lub DFM ) to ogólna praktyka inżynierska polegająca na projektowaniu produktów w taki sposób, aby były łatwe w produkcji. Koncepcja istnieje w prawie wszystkich dyscyplinach inżynierskich, ale realizacja różni się znacznie w zależności od technologii wytwarzania. DFM opisuje proces projektowania lub inżynierii produktu w celu ułatwienia procesu produkcyjnego w celu zmniejszenia jego kosztów wytwarzania. DFM pozwoli na rozwiązanie potencjalnych problemów w fazie projektowania, która jest najtańszym miejscem ich rozwiązania. Inne czynniki mogą wpływać na możliwości produkcyjne, takie jak rodzaj surowca, forma surowca, tolerancje wymiarowe i przetwarzanie wtórne, takie jak wykończenie.

W zależności od różnych typów procesów produkcyjnych istnieją określone wytyczne dotyczące praktyk DFM. Te wytyczne DFM pomagają precyzyjnie zdefiniować różne tolerancje, zasady i wspólne kontrole produkcyjne związane z DFM.

Chociaż DFM ma zastosowanie w procesie projektowania, podobna koncepcja zwana DFSS (Design for Six Sigma) jest również praktykowana w wielu organizacjach.

Do płytek drukowanych (PCB)

W procesie projektowania PCB , DFM prowadzi do zestawu wytycznych projektowych, które starają się zapewnić wykonalność. W ten sposób możliwe problemy produkcyjne można rozwiązać już na etapie projektowania.

W idealnym przypadku wytyczne DFM uwzględniają procesy i możliwości przemysłu wytwórczego. Dlatego DFM stale się rozwija.

Ponieważ firmy produkcyjne ewoluują i automatyzują coraz więcej etapów procesów, procesy te stają się coraz tańsze. DFM jest zwykle używany do obniżenia tych kosztów. Na przykład, jeśli proces może być wykonywany automatycznie przez maszyny (np. umieszczanie i lutowanie elementów SMT ), taki proces będzie prawdopodobnie tańszy niż wykonanie ręczne.

Do układów scalonych (IC)

Osiągnięcie wysoko wydajnych projektów w najnowocześniejszej technologii VLSI stało się niezwykle trudnym zadaniem ze względu na miniaturyzację oraz złożoność najnowocześniejszych produktów. W tym przypadku metodologia DFM obejmuje zestaw technik modyfikacji projektu układów scalonych (IC) w celu uczynienia ich bardziej wykonalnymi, tj. w celu poprawy ich wydajności funkcjonalnej, wydajności parametrycznej lub ich niezawodności.

tło

Tradycyjnie, w erze przed nanometrami, DFM składało się z zestawu różnych metodologii próbujących wymusić pewne miękkie (zalecane) zasady projektowania dotyczące kształtów i wielokątów fizycznego układu układu scalonego . Te metodologie DFM działały głównie na pełnym poziomie chipów. Ponadto zastosowano symulacje najgorszego przypadku na różnych poziomach abstrakcji, aby zminimalizować wpływ zmienności procesu na wydajność i inne rodzaje parametrycznej utraty wydajności. Wszystkie te różne typy symulacji najgorszego przypadku były zasadniczo oparte na podstawowym zestawie plików parametrów urządzenia SPICE w najgorszym przypadku (lub narożnych) , które miały reprezentować zmienność wydajności tranzystorów w pełnym zakresie zmienności w procesie produkcyjnym.

Taksonomia mechanizmów utraty plonów

Najważniejsze modele utraty wydajności (YLM) dla układów scalonych VLSI można podzielić na kilka kategorii na podstawie ich charakteru.

  • Utrata wydajności funkcjonalnej jest nadal czynnikiem dominującym i jest spowodowana mechanizmami, takimi jak nieprawidłowe przetwarzanie (np. problemy związane ze sprzętem), skutki systematyczne, takie jak problemy z drukowalnością lub planaryzacją, oraz czysto przypadkowe defekty.
  • Produkty o wysokiej wydajności mogą wykazywać marginalne parametry projektowe spowodowane wahaniami procesu lub czynnikami środowiskowymi (takimi jak napięcie zasilania lub temperatura).
  • Te straty wydajności związane testowe- , które są spowodowane przez nieprawidłowe testów, również mogą odgrywać znaczącą rolę.

Techniki

Po zrozumieniu przyczyn utraty wydajności następnym krokiem jest uczynienie projektu tak odpornym, jak to tylko możliwe. Stosowane do tego techniki obejmują:

  • Zastąpienie komórek o wyższej wydajności tam, gdzie jest to dozwolone ze względu na czas, moc i routing.
  • Zmiana rozstawu i szerokości przewodów połączeniowych, jeśli to możliwe
  • Optymalizacja ilości redundancji w pamięciach wewnętrznych.
  • Zastąpienie odpornych na awarie (redundantnych) przelotek w projekcie tam, gdzie to możliwe

Wszystko to wymaga szczegółowego zrozumienia mechanizmów utraty plonów, ponieważ zmiany te są ze sobą sprzeczne. Na przykład wprowadzenie zbędnych przelotek zmniejszy ryzyko problemów z przelotkami , ale zwiększy prawdopodobieństwo niechcianych zwarć. To, czy jest to dobry pomysł, zależy zatem od szczegółów modeli utraty wydajności i charakterystyki konkretnego projektu.

Do obróbki CNC

Cel

Celem jest projektowanie po niższych kosztach. Koszt jest uzależniony od czasu, więc projekt musi minimalizować czas potrzebny nie tylko na obróbkę (usunięcie materiału), ale także czas nastawiania maszyny CNC , programowanie NC, mocowanie i wiele innych czynności, które są zależne od złożoność i rozmiar części.

Konfiguracja czasu operacji (odwrócenie części)

O ile nie jest używana 4 i/lub 5 oś, CNC może zbliżać się do części tylko z jednego kierunku. Jedna strona musi być obrabiana na raz (nazywana operacją lub Op). Następnie część musi zostać odwrócona z boku na bok, aby obrobić wszystkie cechy. Geometria elementów dyktuje, czy część ma być odwrócona, czy nie. Im więcej Ops (obrót części), tym droższa część, ponieważ wiąże się to ze znacznym czasem "Konfiguracji" i "Załadunku/Rozładunku".

Każda operacja (przerzucenie części) ma czas konfiguracji, czas maszyny, czas ładowania/rozładowywania narzędzi, czas ładowania/rozładowywania części oraz czas tworzenia programu NC dla każdej operacji. Jeśli część ma tylko 1 operację, części należy załadować/wyładować tylko raz. Jeśli ma 5 operacji, czas załadunku/rozładunku ma znaczenie.

Nisko wiszący owoc minimalizuje liczbę operacji (odwracanie części), aby uzyskać znaczne oszczędności. Na przykład obróbka powierzchni małej części może zająć tylko 2 minuty, ale ustawienie maszyny do tego zajmie godzinę. Lub, jeśli jest 5 operacji po 1,5 godziny każda, ale tylko 30 minut łącznego czasu obróbki, to 7,5 godziny kosztuje zaledwie 30 minut obróbki.

Wreszcie, objętość (liczba części do maszyny) odgrywa kluczową rolę w amortyzacji czasu konfiguracji, czasu programowania i innych czynności w koszt części. W powyższym przykładzie część w ilości 10 może kosztować 7–10 razy więcej niż w ilości 100.

Zazwyczaj prawo malejących zwrotów występuje przy objętościach od 100 do 300, ponieważ czasy ustawiania, niestandardowe oprzyrządowanie i mocowanie można zamortyzować w hałasie.

Typ materiału

Do najłatwiejszych w obróbce rodzajów metali należą aluminium , mosiądz i metale bardziej miękkie. Ponieważ materiały stają się twardsze, gęstsze i mocniejsze, takie jak stal , stal nierdzewna , tytan i stopy egzotyczne, stają się one znacznie trudniejsze w obróbce i trwają znacznie dłużej, a tym samym są mniej wytwarzane. Większość rodzajów tworzyw sztucznych jest łatwa w obróbce, chociaż dodatki włókna szklanego lub włókna węglowego mogą zmniejszyć skrawalność. Tworzywa sztuczne, które są szczególnie miękkie i gumowate, mogą mieć własne problemy z obrabialnością.

Forma materiału

Metale występują we wszystkich formach. W przypadku aluminium jako przykładu, półfabrykat i płyta są dwiema najczęstszymi formami, z których wykonywane są obrabiane części. Rozmiar i kształt elementu może decydować o tym, jaką formę materiału należy zastosować. W rysunkach technicznych często określa się jedną formę nad drugą. Zapas sztabek jest na ogół zbliżony do 1/2 kosztu płyty w przeliczeniu na funt. Tak więc chociaż forma materiału nie jest bezpośrednio związana z geometrią komponentu, koszty można wyeliminować na etapie projektowania, określając najtańszą formę materiału.

Tolerancje

Istotnym czynnikiem wpływającym na koszt obrabianego elementu jest tolerancja geometryczna, z jaką muszą być wykonane cechy. Im węższa wymagana tolerancja, tym droższy element będzie obrabiany. Podczas projektowania określ najmniejszą tolerancję, która będzie pełnić funkcję komponentu. Tolerancje muszą być określane osobno dla każdego elementu. Istnieją kreatywne sposoby projektowania komponentów o niższych tolerancjach, które nadal działają tak samo dobrze, jak te o wyższych tolerancjach.

Projekt i kształt

Ponieważ obróbka jest procesem subtraktywnym, czas potrzebny na usunięcie materiału jest głównym czynnikiem określającym koszt obróbki. Objętość i kształt usuwanego materiału oraz szybkość podawania narzędzi determinują czas obróbki. Przy stosowaniu frezów największą rolę w wyznaczaniu tej prędkości będzie odgrywać wytrzymałość i sztywność narzędzia, która jest częściowo określona przez stosunek długości do średnicy narzędzia. Im narzędzie jest krótsze w stosunku do swojej średnicy, tym szybciej można je przełożyć przez materiał. Optymalny jest stosunek 3:1 (L:D) lub poniżej. Jeśli nie można osiągnąć tego stosunku, można zastosować rozwiązanie takie jak tutaj przedstawione. W przypadku otworów stosunek długości do średnicy narzędzi jest mniej istotny, ale nadal powinien być utrzymywany poniżej 10:1.

Istnieje wiele innych rodzajów funkcji, których obróbka jest mniej lub bardziej kosztowna. Generalnie sfazowania są tańsze w obróbce niż promienie na zewnętrznych krawędziach poziomych. Interpolacja 3D służy do tworzenia promieni na krawędziach, które nie znajdują się na tej samej płaszczyźnie, co wiąże się z 10-krotnie wyższym kosztem. Podcięcia są droższe w obróbce. Funkcje wymagające mniejszych narzędzi, niezależnie od stosunku L:D, są droższe.

Projekt do kontroli

Koncepcja projektu do kontroli (DFI) powinna uzupełniać i działać we współpracy z projektowaniem pod kątem możliwości produkcji (DFM) i projektowaniem do montażu (DFA), aby obniżyć koszty wytwarzania produktu i zwiększyć praktyczność produkcji. Zdarzają się sytuacje, w których ta metoda może powodować opóźnienia w kalendarzu, ponieważ pochłania wiele godzin dodatkowej pracy, na przykład w przypadku konieczności przygotowania prezentacji i dokumentów przeglądu projektu. Aby rozwiązać ten problem, proponuje się, aby zamiast okresowych inspekcji, organizacje mogły przyjąć ramy upodmiotowienia, szczególnie na etapie rozwoju produktu, w którym kierownictwo wyższego szczebla upoważnia lidera projektu do oceny procesów produkcyjnych i wyników w porównaniu z oczekiwaniami dotyczącymi wydajności produktu, kosztów , jakość i czas opracowania. Eksperci jednak powołują się na potrzebę DFI, ponieważ jest ona kluczowa w kontroli wydajności i jakości , określając kluczowe czynniki, takie jak niezawodność produktu, bezpieczeństwo i cykl życia. W przypadku firmy produkującej komponenty lotnicze , gdzie inspekcja jest obowiązkowa, istnieje wymóg przydatności procesu produkcyjnego do inspekcji. Tutaj przyjmuje się mechanizm, taki jak indeks sprawdzalności, który ocenia propozycje projektowe. Innym przykładem DFI jest koncepcja skumulowanej liczby zgodnych wykresów (wykres CCC), która jest stosowana w planowaniu przeglądów i konserwacji dla systemów, w których dostępne są różne rodzaje przeglądów i konserwacji.

Projektowanie pod kątem wytwarzania przyrostowego

Główny artykuł: Projektowanie do wytwarzania przyrostowego

Wytwarzanie przyrostowe poszerza możliwości projektanta w zakresie optymalizacji projektu produktu lub części (np. w celu zaoszczędzenia materiałów). Projekty dostosowane do wytwarzania przyrostowego czasami bardzo różnią się od projektów dostosowanych do operacji obróbki skrawaniem lub formowania.

Ponadto, ze względu na pewne ograniczenia wielkości maszyn do wytwarzania przyrostowego, czasami powiązane większe projekty są dzielone na mniejsze sekcje z funkcjami do samodzielnego montażu lub lokalizatorami łączników.

Wspólną cechą metod wytwarzania przyrostowego, takich jak modelowanie topionego osadzania , jest potrzeba tymczasowych konstrukcji wsporczych dla wystających elementów części. Usunięcie tych tymczasowych konstrukcji wsporczych w wyniku obróbki końcowej zwiększa całkowity koszt produkcji. Części można zaprojektować do wytwarzania przyrostowego, eliminując lub zmniejszając potrzebę stosowania tymczasowych konstrukcji wsporczych. Można to zrobić, ograniczając kąt wystających struktur do wartości mniejszej niż limit danej maszyny, materiału i procesu wytwarzania przyrostowego (na przykład mniej niż 70 stopni od pionu).

Zobacz też

Bibliografia

Źródła

  • Mentor Graphics - DFM: Co to jest i do czego służy? (należy wypełnić formularz wniosku).
  • Mentor Graphics - DFM: Magic Bullet lub Marketing Hype (należy wypełnić formularz zgłoszeniowy).
  • Electronic Design Automation for Integrated Circuits Handbook , Lavagno, Martin i Scheffer, ISBN  0-8493-3096-3 Przegląd w dziedzinie EDA. Powyższe streszczenie zostało za zgodą Nicola Dragone, Carlo Guardiani i Andrzeja J. Strojwasa zaczerpnięte z tomu II, rozdział 19, Design for Manufacturability in the nanometer Era .
  • Projekt pod kątem produkcyjności i projektowania statystycznego: konstruktywne podejście , Michael Orshansky, Sani Nassif, Duane Boning ISBN  0-387-30928-4
  • Szacowanie ASIC w kosmosie przy użyciu SEER-IC/H , Robert Cisneros, Tecolote Research, Inc. (2008) Kompletna prezentacja

Linki zewnętrzne