面向制造的设计—DFM | 工业百条

    随着市场竞争的加剧，越来越多的企业意识到缩短产品开发时间的重要性。提高产品开发速度，无论是对于企业快速响应顾客需求，提高企业的竞争力，还是在降低产品的开发成本方面，都有着重大的意义。而 “面向制造的设计” DFM，正是这样一种有效的设计方法，在设计阶段就充分考虑制造的要求，减少设计修改次数，“第一次就把事情做对”，从而缩短产品开发周期，降低产品开发成本。

    DFM是什么（词条正解）

    DFM，Design for Manufacturing，面向制造的设计或是可制造性设计，是面向并行工程的一种设计方法。其主要思想是在产品的早期设计阶段考虑制造因素的约束（例如，产品制造所需要的机床设备，工装模具，加工工具，测量工具及相应的时间、费用等），并及时提供给设计人员，作为设计、修改方案的基本依据。在产品设计的各个阶段，在保证产品功能的前提下，要充分考虑可制造性，将产品的开发时间、成本和质量控制在期望范围之内。                                  

    DFM的开发模式

    在传统串行工程的产品开发模式中，产品设计和工艺设计是两个相互独立、顺序执行的的过程，如图1a所示。这种模式容易造成产品设计过程与加工制造过程脱节，使产品的可制造性、可装配性和可维护性较差，从而导致设计改动难度大，产品开发周期长、成本高，而且质量难以保证，甚至有大量的设计无法投入生产，从而造成了人力和物力的巨大浪费。

    而DFM理念的提出，向传统的产品开发模式提出了挑战，它打破了传统设计方法的顺序，将产品设计和工艺设计并行开发，如图1b所示。DFM充分考虑各种制造约束条件、加工条件、装夹方案、工装设计和零件标准化等，对设计的方案进行评审和决策，并且及时将评审结果反馈给设计者，提出修改建议并对产品设计进行指导。这是一种更加简单有效的全新产品开发方法，为企业降低生产成本、缩短产品开发周期、提高企业效益提供了一条可行之路。

    图1a 传统产品设计方法

    图1b DFM产品设计方法

    DFM起源与发展

    DFM诞生于19世纪70年代初，旨在机械行业简化产品结构、减少加工成本。1991年，DFM的应用对美国制造业竞争优势的形成做出贡献，美国总统布什给创始人G.布斯劳博士和P.德赫斯特博士颁发了美国国家技术奖。DFM很快被汽车、国防、航空、计算机、通讯、消费类电子、医疗设备等领域的制造企业采用。以这种方法为基础，80年代形成了软件工具，并在工业领域的不断实践中迭代成熟。

    DFM概念拓展

    DFM是并行工程技术和方法的一种，提到DFM，就不得不提几个概念：DFX、DFMA、LCED。它们都是并行工程的技术和方法的代表，并与DFM有着层级拓展的关系。

    首先，DFM是DFX设计方法中的一个重要的部分。

    而DFX，顾名思义就是Design for X，DFX的分类取决于X的含义，X可以代表产品生命周期中的某一环节，如加工，装配，使用，维修，回收处理等，这一类DFX可以统称为面向产品生命周期各个阶段、环节的设计（DFL Design for Life Cycle）；X也可以代表决定产品竞争力的因素，如时间，成本，质量，环境等，这一类DFX可以统称为面向产品竞争力的设计（DFC Design for Competitiveness）。几种典型的被实际研究过的DFX方法如下：面向制造的设计DFM（Design for Manufacturing），面向装配的设计DFA（Design for Assembly），面向检验的设计DFI（Design for Inspection），面向服务的设计DFS（Design for Service），面向回收的设计DFR（Design for Recycling），面向质量的设计DFQ（Design for Quality）。

    其次，DFM常以和DFA一起组成DFMA的形式被广泛应用。

    DFMA即面向制造和装配的设计，是最早最成熟的DFX方法。在实现提高生产力和减少新产品的开发时间方面起到了催化剂的作用，其组织形式是把各职能部门的人员团结成一个有凝聚力的集体，其核心和宗旨是“我们设计，你们制造，设计充分考虑制造的要求”、“第一次就把事情做对”。DFMA具有四大优点：产品设计修改次数少，产品开发周期短、产品成本低和产品质量高。实践证明，DFMA帮助许多世界知名公司和制造商改进了他们产品的质量。

    而产品生命周期设计LCED（Life Cycle Engineering Design）是这几种并行工程方法中范畴最为广泛的。

    其中DFX是产品生命周期设计LCED（Life Cycle Engineering Design）的重要组成部分，产品生命周期设计的基本构成如图2所示，也是并行工程的技术和方法的代表。而产品生命周期设计，也是从并行工程思想发展而来。旨在鼓励企业不同职能部门间的协同工作，要求企业设计和生产活动并行进行，即产品开发早期开始，不同的部门便介入这个过程，可以在改善产品质量，降低开发成本，缩短开发周期和提高生产率等方面获得显著效益。

    图2 产品生命周期的基本构成

    DFM的设计原则（因具体应用而不同）

    DFM的设计原则主要有：

    ①简化零件的形状；

    ②尽量避免切削加工；

    ③选择便于加工的材料；

    ④尽量降低或减少不要的精度要求；

    ⑤采用标准件和外购件。

    由于不同的加工工艺，对应的方法也有较大的差异，所以具体面向不同的加工的设计，必须有不同的具体的设计原则。例如，图3a和图3b分别是面向注塑件的DFM设计和面向钣金件的DFM设计虽然两者有着不同的设计原则，但目的都是使产品能够快速、经济地制造出来，提高产品设计、制造的一次性成功率，从而达到降低成本，缩短产品开发周期。

    图3a  面向注塑件的DFM原则

    图3b 面向钣金件的DFM原则

    DFM的行业应用

    不同领域的DFM应用，具有很大差别, 因为它与具体产品直接相关。当前，电路板行业技术发展最为成熟,设计制造的一体化和平台化已经融合到软件及规则库中，并足够的细化和可执行。很多国际知名企业在开发设计上也已经成熟的应用了DFM技术工具，并从中“尝到了甜头”，例如计算机行业的Dell（戴尔）、Intel（英特尔）；汽车行业的Ford（福特）、BMW（宝马）等和飞机制造领域的波音公司等。

    以PCB设计为例，在电子产品向小型化、高密度和高速度的发展趋势下，PCB设计的复杂程度大大增加，如何有效地对复杂PCB设计进行全面的质量控制成为该领域的一个难题。

    例如，斯达康通讯有限公司是一家专门从事现代通信领域前沿技术和产品的研究、开发、生产、销售的通信公司，引进了华尔莱科技（Valor）旗下的DFM工具Trilogy 5000来改进PCB产品，Trilogy 5000是一个独特的制造模拟系统，可实现与设计过程同步，模拟选定的PCB产品从设计、制造到组装的整个生产流程，主要涉及系统的4个模块：PLM、BOM Manager、Engineering Station和ERF Manager。四个模块相互联系，共同协作来完成一个DFM分析。整个软件的操作过程：先通过PLM将元器件新建到公司的VPL库中；再通过BOM管理员将BOM/AVL和VPL库关联对应成ODB BOM；然后将PCB文件和ODB BOM导入Engineering Station，重新产生一个ODB++文件；最后通过调用ERF中的规则，对文件进行一系列的检查。整个过程相当于在设计阶段融入制造规则，建立新的PCB设计流程，以减少设计的变更带来的周期延长，保证生产质量和效率。在制造前期解决或发现所有可能的质量隐患，将产品研制的迭代次数降到最低，减少成本，提高了产品的市场竞争力。

    DFM的展望

    在国内，制造业企业对DFM技术的应用起步较晚且规模尚未形成。2001年，BDI公司的DFMA分析软件进入中国。华为技术有限公司要求把DFMA作为每个结构工程师都必须要掌握的设计理念和工具。但是，目前使用DFM相关技术进行产品开发的国内企业还不是很多。其中，不少企业的产品设计仍然采用传统的串行方法，可见在应用先进的开发工具和方法方面，国内企业仍然任重而道远，产品设计是源头，中国制造业应该更好的利用这些先进的设计工具和方法，才能提升自主产品的国际竞争力。