Design For Manufacturing: Een Praktische CNC DFM Gids

Design For Manufacturing (DFM) is een engineeringpraktijk waarbij het ontwerp van een product wordt geoptimaliseerd om het gemakkelijker, sneller en kosteneffectiever te produceren. Wanneer het wordt toegepast op Computer Numerical Control (CNC) bewerking, richt DFM zich op het aanpassen van de geometrie van onderdelen, materiaalkeuze en toleranties om de mogelijkheden van CNC-frezen, draaibanken en andere apparatuur te benutten, terwijl de machinetijd, slijtage van gereedschap en afval worden geminimaliseerd. Het implementeren van een sterke CNC DFM-strategie is cruciaal om de kloof tussen ontwerpintentie en productierealiteit te overbruggen, wat uiteindelijk zorgt voor een hoogwaardig, economisch eindproduct.

Het primaire doel van CNC DFM is om de totale productiekosten en -tijd te verlagen zonder de prestaties of esthetische vereisten van het product in gevaar te brengen. Dit omvat een samenwerkingsrelatie tussen de ontwerpingenieur en de productie-ingenieur van de machinefabriek. Vroege samenwerking is essentieel, aangezien beslissingen die in de initiële ontwerpfases worden genomen - wanneer de kosten van wijzigingen het laagst zijn - de grootste impact hebben op de uiteindelijke productiekosten.

Een van de meest directe en impactvolle DFM-overwegingen is het minimaliseren van insteltijd en bewerkingen. Elke keer dat een onderdeel moet worden verwijderd, opnieuw worden georiënteerd en opnieuw in de machine moet worden vastgeklemd (een proces dat bekend staat als een bewerking of instelling), gaat er tijd verloren en neemt het risico op positionele fouten toe. Ingenieurs moeten ernaar streven onderdelen te ontwerpen die in zo min mogelijk instellingen kunnen worden bewerkt, idealiter in één of twee. Dit kan worden bereikt door kenmerken op één of twee hoofdvlakken te concentreren en voldoende speling te garanderen voor standaard gereedschap om toegang te krijgen tot alle kenmerken vanuit die oriëntaties. Als een onderdeel bewerking op vijf vlakken vereist, zullen de kosten exponentieel hoger zijn dan die van een vergelijkbaar onderdeel dat slechts twee instellingen vereist.

Vervolgens moet er aandacht worden besteed aan de geometrie van de kenmerken en de toegankelijkheid van gereedschap. Standaard CNC-gereedschappen zijn cilindrisch, wat betekent dat ze radii produceren in de hoeken van interne kenmerken zoals uitsparingen of sleuven. Het ontwerpen van interne hoeken met de grootst acceptabele radius is een eenvoudig maar krachtig DFM-principe. Kleine, scherpe interne radii vereisen kleine, fragiele gereedschappen, die met lagere snelheden moeten draaien, wat leidt tot langere cyclustijden en een hoog risico op gereedschapsbreuk. Een goede vuistregel is om een interne radius op te geven die minstens een derde van de diepte van de uitsparing is. Verder moeten kenmerken zoals diepe, smalle sleuven of blinde gaten worden vermeden. Diepe uitsparingen, vooral die met een aspectverhouding (diepte tot breedte) groter dan 4:1, vereisen gereedschap met aangepaste lengte, agressieve spaanafvoer en lagere bewerkingssnelheden, wat de kosten drastisch verhoogt. Als een diep kenmerk noodzakelijk is, overweeg dan om het te ontwerpen als twee afzonderlijke, kleinere kenmerken die later kunnen worden samengevoegd of pas het ontwerp aan zodat het van beide uiteinden toegankelijk is.

Toleranties en oppervlakteafwerking worden vaak overgespecificeerd, wat leidt tot onnodige productiekosten. Nauwe toleranties ($ pm 0,001$ inch of minder) vereisen omgevingen met temperatuurregeling, gespecialiseerde inspectieapparatuur, hooggekwalificeerde operators en aanzienlijk langzamere bewerking om precisie te garanderen. Ontwerpers moeten alleen nauwe toleranties toepassen op kritieke kenmerken die direct van invloed zijn op de functie of montage-interfaces, en vertrouwen op standaard of algemene toleranties voor alle andere afmetingen. Evenzo verhoogt het eisen van een gladde oppervlakteafwerking (bijv. $32$ Ra of beter) de bewerkingstijd, omdat het meerdere lichte afwerkingsgangen met specifieke gereedschappen vereist. Als de functie van een kenmerk geen spiegelachtige afwerking vereist, moet een standaard gefreesd oppervlak worden gespecificeerd.

Materiaalkeuze is een fundamentele DFM-keuze. Hoewel de vereiste mechanische eigenschappen (sterkte, corrosiebestendigheid, enz.) de opties beperken, heeft de bewerkbaarheid van het gekozen materiaal een directe impact op de kosten. Bewerkbare materialen zoals 6061 Aluminium, C1018 Staal en Messing zijn doorgaans gemakkelijker en sneller te snijden dan moeilijke materialen zoals 300-serie Roestvast Staal (vooral 303 vs. 304), Inconel of Titanium. Het bewerken van moeilijke materialen leidt tot een kortere levensduur van het gereedschap, lagere snijsnelheden en hogere materiaalkosten, wat allemaal bijdraagt aan hogere totale onderdeelkosten. Wanneer de materiaaleigenschappen het toelaten, kan overstappen op een legering die gemakkelijker te bewerken is, aanzienlijke productietijd en geld besparen.

Een andere cruciale overweging is het vastzetten en klemmen van onderdelen. De machinefabriek moet het blanco onderdeel tijdens het bewerkingsproces stevig kunnen vasthouden zonder het snijgereedschap te belemmeren. Ontwerpers moeten vlakke, parallelle en gemakkelijk toegankelijke klemgebieden in het ontwerp opnemen, zelfs als het tijdelijke kenmerken zijn (zoals lipjes of offermateriaal) die worden verwijderd tijdens een definitieve afwerkingsbewerking of na de bewerking. Ontwerpen die dun, fragiel of complexe, niet-uniforme vormen hebben, zijn moeilijk stevig vast te klemmen, wat leidt tot trillingen (getril), een slechte oppervlakteafwerking en mogelijke beweging of schade aan het onderdeel.

Ten slotte, het opnemen van standaardkenmerken vereenvoudigt het productieproces. Kenmerken zoals standaard draadmaten (bijv. Unified National of Metrische draden) stellen de machinefabriek in staat om kant-en-klare tappen en draadfreesmachines te gebruiken. Niet-standaard of gepatenteerde draadvormen vereisen aangepast, duur gereedschap en omvatten vaak langzamere draadcycli. Evenzo zijn het gebruik van standaard boormaten en het houden van de gaten binnen redelijke grenzen eenvoudige DFM-praktijken die de complexiteit en kosten verminderen.

Kortom, een praktische CNC DFM-gids moedigt ontwerpers aan om als fabrikanten te denken. Door instellingen te minimaliseren, interne radii te vergroten, toleranties oordeelkundig toe te passen, bewerkbare materialen te selecteren, een gemakkelijke bevestiging te garanderen en standaardkenmerken te gebruiken, kunnen ingenieurs de productiekosten drastisch verlagen, de doorlooptijden verkorten en een beter product leveren. De sleutel is om vroeg en vaak te communiceren met het productieteam om ervoor te zorgen dat het ontwerp is geoptimaliseerd voor de realiteit van de CNC-machinefabrieksvloer.