Design for Manufacturing (DFM) mit 3D-Druck

Design for Manufacturing (DFM) bezeichnet eine Reihe von technologiespezifischen Designpraktiken, die darauf abzielen, die Herstellungskosten oder die Komplexität eines Teils oder eines Produkts zu senken, um die Fertigung leichter oder wirtschaftlicher zu gestalten, und übermäßige Designanpassungen in späteren Produktionsschritten zu reduzieren. Je weiter das Entwicklungsverfahren eines Produkts bereits fortgeschritten ist, desto teurer werden Veränderungen. Deshalb ist es wichtig, Designprobleme so früh wie möglich zu lösen.

Das Toolkit von Ingenieuren hat sich im Verlauf der letzten Jahrzehnte sprunghaft weiterentwickelt. Heute helfen fortgeschrittene Tools wie der 3D-Druck, die Lücke zwischen Design und Fertigung zu schließen und Arbeitsverfahren zu bessern und DFM-Verfahren zu rationalisieren.

Hier lernen Sie die DFM-Regeln und -Prinzipien für verbreitete Fertigungsmethoden sowie verschiedene Anwendungsmöglichkeiten des 3D-Drucks in der Fertigung kennen.

In unserem Webinar lernen Sie fünf Möglichkeiten kennen, um den 3D-Druck in ihre Fertigungsverfahren zu integrieren.

Warum Design for Manufacturing?

Design for Manufacturing senkt Kosten und die Zeit, die Produkte auf den Markt gebracht werden können. Zudem winken maßgebliche Verbesserungen in Sachen Qualität und Zuverlässigkeit. Bei der Entwicklung einer neuen Komponente oder eines neuen Produkts ist es von grundlegender Bedeutung, DFM-Prinzipien zu berücksichtigen. Auch die Prüfung vorhandener Komponenten hinsichtlich der Effizienz von Design und Fertigungsverfahren kann Früchte tragen.

Beim Design für ein bestimmtes Fertigungsverfahren oder eine bestimmte Technologie soll DFM die Formen, Mechanismen und Merkmale, die im Rahmen der Produktentwicklung als notwendig ausgewiesen wurden, in Teile überführen, die ohne größere Hindernisse mithilfe industrieller Anlagen gefertigt und montiert werden können.

Außerdem kann DFM dabei helfen, nicht nur sicherzustellen, dass die Teile hergestellt werden können, sondern auch, dass sie zuverlässig nach den Originalspezifikationen der Ingenieure hergestellt werden – und zwar mit reduzierten Werkzeugkosten, geringen Teilekosten, kurzen Zykluszeiten und vernachlässigbaren Ausschussraten.

In der Praxis ist DFM damit ein Abwägen zwischen Designvorstellungen und praktischen Gesichtspunkten, die die massenweise und kosteneffektive Fertigung von Produkten ermöglichen.

Allgemeine DFM-Regeln und -Prinzipien

Beim Designverfahren sollten die folgenden fünf Faktoren berücksichtigt werden:

• Verfahren: Wählen Sie die richtigen Fertigungsverfahren, da sie die Designrichtung bestimmen.
• Design: Halten Sie sich an die Leitlinien des gewählten Hauptfertigungsverfahrens.
• Material: Designen Sie Produkte unter Berücksichtigung des gewählten Materials, da unterschiedliche Materialien auch unterschiedliche Fertigungsanforderungen aufweisen.
• Testen: Designen Sie das Teil derart, dass es leicht Prüfungen und Tests unterzogen werden kann.

Während das DFM stark vom Fertigungsverfahren beeinflusst wird, gelten die folgenden allgemeinen Regeln und bewährte Praktiken unabhängig von der Art des Teils und der verwendeten Technologie:

• So wenige Einzelteile wie möglich: Die Verwendung weniger Einzelteile senkt die Kosten und steigert die Effizienz von der Fertigung bis hin zur Logistik. Wenn insgesamt weniger Einzelteile verbaut werden, gestaltet sich die Montage einfacher, Prüfungen und Tests werden leichter und die vorab aufzuwendenden Werkzeugkosten sinken. Fassen Sie montierte Teile nach Möglichkeit zu einer einzelnen Komponente zusammen.
• Verwendung von Standardkomponenten: Verringern Sie die Anzahl individuell angepasster Teile und ersetzten Sie sie durch im Handel erhältliche Standardkomponenten, um Materialkosten einzusparen, Durchlaufzeiten zu senken und die Beschaffung zu vereinfachen.
• Design multifunktionaler Teile: Ein einzelnes Teil kann verschiedene Zwecke erfüllen. Es kann beispielsweise gleichzeitig Teil der Stützstruktur sein und als Wärmeleiter dienen, oder sekundäre Funktionen wie die Ausrichtung, die Anbringung in Vorrichtungen oder die Montage übernehmen.
• Design von Teilen für verschiedene Produktserien: Wenn ein Unternehmen mehrere ähnliche Produkte oder Produktserien vertreibt, können bestimmte Teile in unterschiedlichen Produkten ähnliche oder unterschiedliche Funktionen erfüllen. Verwenden Sie vorhandene Komponenten, um weniger individuell angepasste Teile zu benötigen.
• Festlegung eines Toleranzbereichs für Passform und Maßnahmen zur Nachbearbeitung: Nachbearbeitungsverfahren wie Streichen, Polieren oder Fräsen sowie strengere Toleranzbereiche und höhere Nachbearbeitungsansprüche steigern die Fertigungskosten und sind je nach Endzweck des Teils unter Umständen nicht nötig. Legen Sie fest, welche Eigenschaften des Teils wirklich relevant sind, und gewähren Sie bei nachrangigen Eigenschaften einen höheren Toleranzbereich, um Kosten für Fertigung und Qualitätskontrolle einzudämmen.
• Leichtere Handhabung: Teile sollten nur aus einer Richtung montiert werden. Nach Möglichkeit sollte die Montage von oben erfolgen, um die Schwerkraft nutzen zu können. Designen Sie alle Teile symmetrisch, um die Ausrichtung zu vereinfachen; symmetrische Teile können nicht falsch montiert werden und erfordern keine besonderen Sensoren oder Mechanismen zur Ausrichtung im Rahmen der automatisierten Montage. Wenn Symmetrie unmöglich ist, betonen Sie die Asymmetrie des Teils und bringen Sie externe Leitmerkmale an, um Fehler zu vermeiden.
• Design for Fixturing: Bedenken Sie das Fertigungsverfahren, um Teile für den Vorrichtungsverbau zu designen. Teile, die zur automatischen Montage designt werden, erfordern Registrierungsmerkmale, da Fräswerkzeuge, Montagestationen und automatische Beförderungsanlagen das Teil greifen bzw. für das weitere Verfahren in eine vorgegebene Position bringen müssen.
• Design for the Ease of Alignment: Abweichungen bezüglich der Maße oder der Genauigkeit des Teils können zu Fehlern bei der Montage führen und das Teil oder die Anlage beschädigen. Sehen Sie Merkmale wie Verjüngungen, Kantenschrägungen und mittlere Radien vor, die die Ausrichtung erleichtern.

DFM für verschiedene Fertigungstechnologien

Designentscheidungen und Tradeoffs hängen zum großen Teil von Seriengröße, Budget und der Bedeutung einer bestimmten Designvorstellung ab.

Hier einige Beispiele für solcherlei Erwägungen:

• Während CNC-Fräsen sich hervorragend für die Herstellung von Prototypen oder Produkte mit kleineren Produktionsserien (< 1000 Einheiten) und hohen Gewinnmargen eignet, ist es aufgrund der hohen Kosten für Geräte, die in großen Serien gefertigt werden, weniger ideal – es sei denn, Ihr Unternehmen heißt Apple. Alternative Verfahren zur Fertigung von Metallteilen wie Formguss oder Formverfahren versprechen geringere Kosten, erfordern aber Designanpassungen.
• Designer sollten bei spritzgegossenen Teilen Verbindungselemente nach Möglichkeit durch Rastnasen oder Schnappverbindungen ersetzen, da Verbindungselemente zusätzliche Arbeitsschritte erfordern, die die Fertigungsdauer und -kosten steigern. Doch wenn ein Produkt in kleinen Serien gefertigt werden soll, können mechanische Verbindungselemente die Kosten senken, da die Werkstückbestückungskosten für Rastnasen und Schnappverbindungen höher ausfallen.
• Im Spritzguss gefertigte Teile verfügen über sichtbare Spuren, wo die Auswerferstifte das Teil von der Form abheben. Diese Spuren lassen sich meistens verdecken. Doch das Produktteam muss entscheiden, ob sich die höheren Kosten für das Verdecken lohnen, oder ob spuren im Inneren oder an anderen nicht direkt sichtbaren Stellen eines Kunststoffgehäuses akzeptabel sind.

Im Großen und Ganzen hat also jeder Fertigungsprozess seine eigenen Beschränkungen. Gleichzeitig stehen aber auch bewährte Praktiken und clevere Tricks zur Verfügung, um zum geringsten Kostenpunkt das Meiste aus jedem Teil herauszuholen. Sehen Sie sich die verfahrensspezifischen DFM-Regeln und -Leitlinien an und beraten Sie sich mit Fertigungspartnern.

Teile und Komponenten des Form 2 Stereolithografie-3D-Druckers. Lesen Sie Bunnie Huangs ausführliche Teardowns.

Eine weitere interessante Möglichkeit, die Designentscheidungen (und -fehler) anderer Unternehmen kennenzulernen, sind Produkt-Teardowns. Eine hervorragende Ressource hierfür ist das Blog Bolt.

Sehen Sie sich unser Webinar an, um zu erfahren, wie Ingenieure bei Formlabs 3D-Druck in der Produktion anwenden, von der Herstellung von Prototypen für die Serienfertigung bis hin zum Druck funktionsfähiger Endprodukte.

Rationalisieren Sie DFM mit 3D-Druck

Der 3D-Druck findet seinen Weg mehr und mehr in die Massenfertigung. Kundenindividuelle 3D-gedruckte Vorrichtungen und anderweitige Werkzeuge) werden weithin in Fertigungsanlagen verwendet, und mit automatisierten Druckerzellen wird zunehmend die Produktion kleinerer und mittlerer Serien möglich, während gewerbliche Maschinen günstiger werden und immer mehr Unternehmen in den Genuss der Technologie kommen.

In vielen Fällen wird der 3D-Druck zudem ergänzend zu konventionellen Fertigungsverfahren zur Herstellung gussfähiger Teile, Formen mit geringen Seriengrößen oder individuell angepassten Werkzeugen für die Fertigung eingesetzt.

Produktentwicklung

Es kann schwerfallen, basierend auf einem CAD-Modell Designentscheidungen zu treffen. Designer experimentieren häufig nur zögerlich mit Prototypen, da die Herstellung eines einzelnen Teils oder einer einzelnen Baugruppe mit konventionellen Materialien und Techniken sowohl teuer als auch zeitraubend ist.

3D-Drucktechnologien vereinfachen die Herstellung von Prototypen und stellen Designern so in Stundenschnelle und zu einem Bruchteil der Kosten eines traditionellen Prototyps modellgetreue, funktionale Teile zur Verfügung.

Verschiedene Prototypen, die auf einem Form 2 Stereolithografie-3D-Drucker gedruckt wurden.

Stereolithographie (SLA) und Selektives Laser-Sintern (SLS) sind ideale Technologien für den 3D-Druck von Prototypen. SLA-3D-Drucker ermöglichen die Arbeit mit verschiedenen technischen Materialien und können glatte, isotropische Teile herstellen, die sowohl robust als auch detailreich sind. SLS-Drucker eignen sich besser für die Fertigung funktionaler Prototypen und Fertigungsteile aus flexiblen oder festen Thermoplasten wie Nylon.

Ersatzeinsätze

Bei Ersatzeinsätzen handelt es sich um Platzhalterteile, mit deren Hilfe bestimmte funktionale Aspekte eines Designs bewertet und das endgültige Fertigungsverfahren vor der Massenproduktion feinjustiert werden soll. So wird das Risiko gesenkt, zu spät festzustellen, dass ein Teil oder ein Verfahren eine bestimmte Funktion nicht wie vorgesehen erfüllen wird.

3D-gedruckte Ersatzeinsätze können als Ersatz für Teile verwendet werden, die teuer oder nicht verfügbar sind. So können Wochen oder Monate im Fertigungsprozess eingespart werden.

Die folgenden Faktoren können mithilfe von Ersatzeinsätzen bewertet werden:

• Fertigung: Die Qualität der Teile aus Fertigungsverfahren, die auf komplexe Verfahren wie Spritzgießen oder Overmolding zurückgreifen.
• Montage: Wie sich ein Teil mit vorhandenen Komponenten zusammenfügt.
• Wartung: Wie leicht das Teil oder die Baugruppe zu warten ist.
• Installation: Wie leicht das Teil zu installieren ist.

Formen für den Spritzguss mit kleinen Serien

Manche SLA-Materialien mit hoher Hitzebeständigkeit können zur Herstellung von Formen für den Spritzguss mit geringen Seriengrößen herangezogen werden. Diese Formen können verwendet werden, um:

• Designs bzgl. DFM zu testen.
• Die Werkzeugbestückung für Formen zu testen.
• Mit Materialien zu experimentieren.
• Kleine Fertigungsserien durchzuführen.

Designer können mehrere Formversionen zu einem Bruchteil der Kosten und sehr viel schneller als gefräste Werkzeugbestückungen drucken.

Per SLA-3D-Druck können Formen für den Spritzguss mit kleinen Serien aus hitzebeständigem Kunstharz hergestellt werden.

Kundenindividuelle Fertigung

Für die Fertigung kundenindividueller Komponenten mit geringen Seriengrößen sind konventionelle Verfahren wie der Spritzguss aufgrund der hohen Kosten für die Werkzeugausstattung häufig nicht wirtschaftlich.

Dank der mit ihm einhergehenden Designfreiheit und der sich rasch entwickelnden Material- und Leistungseigenschaften, wird der 3D-Druck zunehmend zur Herstellung von kundenindividuellen Fertigungsteilen verwendet. Ihm sind weitaus weniger Fertigungsbeschränkungen zueigen als konventionellen Fertigungstechniken.

Auf Bestellung angefertigte, kundenindividuelle In-Ear-Kopfhörer können mithilfe von 3D-gedruckten Formen kostengünstig hergestellt werden.

Optimieren von Fertigungsverfahren mit 3D-Druck

Design for Manufacturing ist nur einer der Bereiche, in denen der 3D-Druck Ihre Fertigungsverfahren optimieren kann. Erfahren Sie in unserem Webinar mehr darüber, wie führende Hersteller den 3D-Druck nutzen, um Geld zu sparen und Durchlaufzeiten vom Design bis zur Produktion zu verkürzen. Lernen Sie zudem fünf Möglichkeiten kennen, um den 3D-Druck in Ihren Fertigungsverfahren einzusetzen.

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