Design für die Fertigung: Ein praktischer CNC-DFM-Leitfaden

Design for Manufacturing (DFM) ist eine Engineering-Praktik, bei der das Design eines Produkts optimiert wird, um die Herstellung zu erleichtern, zu beschleunigen und kostengünstiger zu gestalten. Bei der Anwendung auf die computergestützte numerische Steuerung (CNC)-Bearbeitung konzentriert sich DFM auf die Anpassung der Teilegeometrie, der Materialauswahl und der Toleranzen, um die Fähigkeiten von CNC-Fräsmaschinen, Drehmaschinen und anderen Geräten zu nutzen und gleichzeitig Maschinenzeit, Werkzeugverschleiß und Ausschuss zu minimieren. Die Implementierung einer soliden CNC-DFM-Strategie ist entscheidend, um die Lücke zwischen Designabsicht und Fertigungswirklichkeit zu schließen und letztendlich ein hochwertiges, wirtschaftliches Endprodukt zu gewährleisten.

Das Hauptziel von CNC-DFM ist es, die Gesamtfertigungskosten und -zeit zu senken, ohne die Leistung oder die ästhetischen Anforderungen des Produkts zu beeinträchtigen. Dies beinhaltet eine kollaborative Beziehung zwischen dem Konstrukteur und dem Fertigungsingenieur der Werkstatt. Eine frühzeitige Zusammenarbeit ist der Schlüssel, da Entscheidungen, die in den frühen Designphasen getroffen werden – wenn die Kosten für Änderungen am niedrigsten sind – die größten Auswirkungen auf die endgültigen Produktionskosten haben.

Eine der unmittelbarsten und wirkungsvollsten DFM-Überlegungen ist die Minimierung der Rüstzeit und der Arbeitsgänge. Jedes Mal, wenn ein Teil aus der Maschine entfernt, neu ausgerichtet und neu eingespannt werden muss (ein Vorgang, der als Arbeitsgang oder Rüstvorgang bezeichnet wird), geht Zeit verloren und das Risiko von Positionsfehlern steigt. Ingenieure sollten bestrebt sein, Teile so zu konstruieren, dass sie in möglichst wenigen Rüstvorgängen, idealerweise in ein oder zwei, bearbeitet werden können. Dies kann erreicht werden, indem Merkmale auf ein oder zwei Hauptflächen konzentriert und sichergestellt wird, dass genügend Freiraum für Standardwerkzeuge vorhanden ist, um auf alle Merkmale von diesen Ausrichtungen aus zugreifen zu können. Wenn ein Teil die Bearbeitung auf fünf Flächen erfordert, sind die Kosten exponentiell höher als bei einem ähnlichen Teil, das nur zwei Rüstvorgänge benötigt.

Als Nächstes muss die Aufmerksamkeit auf die Geometrie der Merkmale und die Werkzeugzugänglichkeit gerichtet werden. Standard-CNC-Werkzeuge sind zylindrisch, was bedeutet, dass sie Radien in den Ecken von inneren Merkmalen wie Taschen oder Schlitzen erzeugen. Die Konstruktion von Innenecken mit dem größten akzeptablen Radius ist ein einfaches, aber wirkungsvolles DFM-Prinzip. Kleine, scharfe Innenradien erfordern Werkzeuge mit kleinem Durchmesser und geringer Festigkeit, die mit langsameren Geschwindigkeiten betrieben werden müssen, was zu längeren Zykluszeiten und einem hohen Risiko von Werkzeugbruch führt. Eine gute Faustregel ist es, einen Innenradius anzugeben, der mindestens ein Drittel der Tiefe der Tasche beträgt. Darüber hinaus sollten Merkmale wie tiefe, schmale Schlitze oder Sacklöcher vermieden werden. Tiefe Taschen, insbesondere solche mit einem Seitenverhältnis (Tiefe zu Breite) von mehr als 4:1, erfordern Werkzeuge in Sonderlänge, eine aggressive Spanabfuhr und langsamere Bearbeitungsgeschwindigkeiten, was die Kosten drastisch erhöht. Wenn ein tiefes Merkmal erforderlich ist, sollten Sie in Erwägung ziehen, es als zwei separate, kleinere Merkmale zu konstruieren, die später verbunden werden können, oder das Design so anzupassen, dass es von beiden Enden zugänglich ist.

Toleranzen und Oberflächengüte werden oft übermäßig spezifiziert, was zu unnötigen Herstellungskosten führt. Enge Toleranzen (≤ ±0,001 Zoll oder weniger) erfordern temperaturkontrollierte Umgebungen, spezielle Prüfgeräte, hochqualifizierte Bediener und eine deutlich langsamere Bearbeitung, um Präzision zu gewährleisten. Konstrukteure sollten enge Toleranzen nur auf kritische Merkmale anwenden, die sich direkt auf die Funktion oder die Montageoberflächen auswirken, und sich für alle anderen Abmessungen auf Standard- oder allgemeine Toleranzen verlassen. In ähnlicher Weise erhöht die Forderung nach einer glatten Oberflächengüte (z. B. $32$ Ra oder besser) die Bearbeitungszeit, da sie mehrere leichte Schlichtdurchgänge mit bestimmten Werkzeugen erfordert. Wenn die Funktion eines Merkmals keine spiegelähnliche Oberfläche erfordert, sollte eine standardmäßige gefräste Oberfläche angegeben werden.

Die Materialauswahl ist eine grundlegende DFM-Entscheidung. Während die erforderlichen mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit usw.) die Optionen einschränken, hat die Bearbeitbarkeit des gewählten Materials einen direkten Einfluss auf die Kosten. Bearbeitbare Materialien wie 6061 Aluminium, C1018 Stahl und Messing sind in der Regel einfacher und schneller zu schneiden als schwierige Materialien wie Edelstähle der 300er-Serie (insbesondere 303 vs. 304), Inconel oder Titan. Die Bearbeitung schwieriger Materialien führt zu einer kürzeren Werkzeugstandzeit, langsameren Schnittgeschwindigkeiten und höheren Materialkosten, was zu höheren Gesamtteilkosten beiträgt. Wenn die Materialeigenschaften es zulassen, kann der Wechsel zu einer leichter zu bearbeitenden Legierung erhebliche Produktionszeit und -kosten sparen.

Eine weitere wichtige Überlegung ist die Teilefixierung und -spannung. Die Werkstatt muss in der Lage sein, den Rohteilrohling während des Bearbeitungsprozesses sicher zu halten, ohne den Werkzeugweg zu behindern. Konstrukteure sollten flache, parallele und leicht zugängliche Spannbereiche in das Design integrieren, auch wenn es sich um temporäre Merkmale (wie Laschen oder Opfermaterial) handelt, die während eines abschließenden Fertigungsvorgangs oder nach der Bearbeitung entfernt werden. Designs, die dünn, zerbrechlich sind oder komplexe, ungleichmäßige Formen aufweisen, sind schwer sicher zu spannen, was zu Vibrationen (Rattern), schlechter Oberflächengüte und potenzieller Teilebewegung oder -beschädigung führt.

Schließlich vereinfacht die Integration von Standardmerkmalen den Herstellungsprozess. Merkmale wie Standardgewindegrößen (z. B. Unified National- oder metrische Gewinde) ermöglichen es der Werkstatt, Standardgewindebohrer und Gewindefräser zu verwenden. Nicht standardmäßige oder proprietäre Gewindeformen erfordern kundenspezifische, teure Werkzeuge und beinhalten oft langsamere Gewindeschneidzyklen. In ähnlicher Weise sind die Verwendung von Standardbohrgrößen und die Einhaltung von Lochtiefen innerhalb angemessener Grenzen einfache DFM-Praktiken, die die Komplexität und die Kosten reduzieren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein praktischer CNC-DFM-Leitfaden Konstrukteure dazu ermutigt, wie Hersteller zu denken. Durch die Minimierung von Rüstvorgängen, die Erhöhung der Innenradien, die umsichtige Anwendung von Toleranzen, die Auswahl bearbeitbarer Materialien, die Gewährleistung einer einfachen Fixierung und die Verwendung von Standardmerkmalen können Ingenieure die Herstellungskosten drastisch senken, die Vorlaufzeiten verkürzen und ein besseres Produkt liefern. Der Schlüssel ist die frühzeitige und häufige Kommunikation mit dem Fertigungsteam, um sicherzustellen, dass das Design für die Realität der CNC-Werkstatt optimiert ist.