Σχεδιασμός για Κατασκευή: Ένας Πρακτικός Οδηγός DFM για CNC

Ο Σχεδιασμός για Κατασκευή (DFM) είναι μια μηχανολογική πρακτική που περιλαμβάνει τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού ενός προϊόντος για να γίνει ευκολότερη, ταχύτερη και πιο οικονομική η παραγωγή του. Όταν εφαρμόζεται στην μηχανική με Computer Numerical Control (CNC), το DFM επικεντρώνεται στην προσαρμογή της γεωμετρίας των εξαρτημάτων, της επιλογής υλικών και των ανοχών για την αξιοποίηση των δυνατοτήτων των φρεζαριστικών μηχανημάτων CNC, των τόρνων και άλλου εξοπλισμού, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τον χρόνο μηχανικής κατεργασίας, τη φθορά των εργαλείων και τα απόβλητα. Η εφαρμογή μιας ισχυρής στρατηγικής CNC DFM είναι κρίσιμη για τη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της πρόθεσης του σχεδιασμού και της πραγματικότητας της κατασκευής, διασφαλίζοντας τελικά ένα υψηλής ποιότητας, οικονομικό τελικό προϊόν.

Ο πρωταρχικός στόχος του CNC DFM είναι η μείωση του συνολικού κόστους και του χρόνου κατασκευής χωρίς συμβιβασμούς στην απόδοση ή τις αισθητικές απαιτήσεις του προϊόντος. Αυτό περιλαμβάνει μια συνεργατική σχέση μεταξύ του μηχανικού σχεδιασμού και του μηχανικού κατασκευής του μηχανουργείου. Η έγκαιρη συνεργασία είναι το κλειδί, καθώς οι αποφάσεις που λαμβάνονται στις αρχικές φάσεις του σχεδιασμού—όταν το κόστος των αλλαγών είναι χαμηλότερο—έχουν τον σημαντικότερο αντίκτυπο στο τελικό κόστος παραγωγής.

Ένας από τους πιο άμεσους και σημαντικούς παράγοντες DFM είναι η ελαχιστοποίηση του χρόνου εγκατάστασης και των λειτουργιών. Κάθε φορά που ένα εξάρτημα πρέπει να αφαιρεθεί, να επαναπροσανατολιστεί και να επανασφιγκτεί στο μηχάνημα (μια διαδικασία γνωστή ως λειτουργία ή εγκατάσταση), χάνεται χρόνος και αυξάνεται ο κίνδυνος σφάλματος θέσης. Οι μηχανικοί θα πρέπει να προσπαθούν να σχεδιάζουν εξαρτήματα που μπορούν να υποστούν μηχανική κατεργασία με τις λιγότερες δυνατές εγκαταστάσεις, ιδανικά σε μία ή δύο. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί συγκεντρώνοντας τα χαρακτηριστικά σε μία ή δύο κύριες επιφάνειες και διασφαλίζοντας αρκετό διάκενο για τα τυπικά εργαλεία ώστε να έχουν πρόσβαση σε όλα τα χαρακτηριστικά από αυτές τις κατευθύνσεις. Εάν ένα εξάρτημα απαιτεί μηχανική κατεργασία σε πέντε επιφάνειες, το κόστος θα είναι εκθετικά υψηλότερο από ένα παρόμοιο εξάρτημα που απαιτεί μόνο δύο εγκαταστάσεις.

Στη συνέχεια, πρέπει να δοθεί προσοχή στη γεωμετρία των χαρακτηριστικών και την προσβασιμότητα των εργαλείων. Τα τυπικά εργαλεία CNC είναι κυλινδρικά, πράγμα που σημαίνει ότι παράγουν ακτίνες στις γωνίες των εσωτερικών χαρακτηριστικών, όπως οι θήκες ή οι σχισμές. Ο σχεδιασμός εσωτερικών γωνιών με τη μεγαλύτερη αποδεκτή ακτίνα είναι μια απλή αλλά ισχυρή αρχή DFM. Οι μικρές, αιχμηρές εσωτερικές ακτίνες απαιτούν μικρής διαμέτρου, εύθραυστα εργαλεία, τα οποία πρέπει να λειτουργούν με χαμηλότερες ταχύτητες, οδηγώντας σε μεγαλύτερους χρόνους κύκλου και υψηλό κίνδυνο θραύσης του εργαλείου. Ένας καλός εμπειρικός κανόνας είναι να καθορίζεται μια εσωτερική ακτίνα που είναι τουλάχιστον το ένα τρίτο του βάθους της θήκης. Επιπλέον, θα πρέπει να αποφεύγονται χαρακτηριστικά όπως βαθιές, στενές σχισμές ή τυφλές οπές. Οι βαθιές θήκες, ειδικά αυτές με αναλογία διαστάσεων (βάθος προς πλάτος) μεγαλύτερη από 4:1, απαιτούν εργαλεία προσαρμοσμένου μήκους, επιθετική απομάκρυνση τσιπ και χαμηλότερες ταχύτητες μηχανικής κατεργασίας, αυξάνοντας δραματικά το κόστος. Εάν ένα βαθύ χαρακτηριστικό είναι απαραίτητο, σκεφτείτε να το σχεδιάσετε ως δύο ξεχωριστά, μικρότερα χαρακτηριστικά που μπορούν να συνδεθούν αργότερα ή να προσαρμόσετε το σχέδιο ώστε να είναι προσβάσιμο και από τα δύο άκρα.

Οι ανοχές και το φινίρισμα επιφάνειας συχνά υπερ-καθορίζονται, οδηγώντας σε περιττά έξοδα κατασκευής. Οι στενές ανοχές (≤ ±0,001 ίντσες ή λιγότερο) απαιτούν περιβάλλοντα ελεγχόμενης θερμοκρασίας, εξειδικευμένο εξοπλισμό επιθεώρησης, εξαιρετικά εξειδικευμένους χειριστές και σημαντικά πιο αργή μηχανική κατεργασία για τη διασφάλιση της ακρίβειας. Οι σχεδιαστές θα πρέπει να εφαρμόζουν στενές ανοχές μόνο σε κρίσιμα χαρακτηριστικά που επηρεάζουν άμεσα τη λειτουργία ή τις διεπαφές συναρμολόγησης, βασιζόμενοι σε τυπικές ή γενικές ανοχές για όλες τις άλλες διαστάσεις. Ομοίως, η απαίτηση για ένα λείο φινίρισμα επιφάνειας (π.χ., 32

Ra ή καλύτερο) αυξάνει τον χρόνο μηχανικής κατεργασίας, καθώς απαιτεί πολλαπλά ελαφρά περάσματα φινιρίσματος με συγκεκριμένα εργαλεία. Εάν η λειτουργία ενός χαρακτηριστικού δεν απαιτεί φινίρισμα σαν καθρέφτη, θα πρέπει να καθορίζεται μια τυπική επιφάνεια φρεζαρίσματος.Η

επιλογή υλικού είναι μια θεμελιώδης επιλογή DFM. Ενώ οι απαιτούμενες μηχανικές ιδιότητες (αντοχή, αντοχή στη διάβρωση, κ.λπ.) περιορίζουν τις επιλογές, η μηχανική ικανότητα του επιλεγμένου υλικού έχει άμεσο αντίκτυπο στο κόστος. Τα μηχανικά υλικά όπως το 6061 Aluminum, το C1018 Steel και το Brass είναι συνήθως ευκολότερα και ταχύτερα στην κοπή από τα δύσκολα υλικά όπως τα Stainless Steels της σειράς 300 (ειδικά 303 έναντι 304), Inconel ή Titanium. Η μηχανική κατεργασία δύσκολων υλικών οδηγεί σε μικρότερη διάρκεια ζωής των εργαλείων, χαμηλότερες ταχύτητες κοπής και υψηλότερο κόστος υλικών, συμβάλλοντας όλα σε ένα υψηλότερο συνολικό κόστος εξαρτήματος. Όταν οι ιδιότητες του υλικού το επιτρέπουν, η μετάβαση σε ένα κράμα με πιο ελεύθερη μηχανική κατεργασία μπορεί να εξοικονομήσει σημαντικό χρόνο και χρήματα παραγωγής.Ένας άλλος κρίσιμος παράγοντας είναι η

στερέωση και σύσφιξη εξαρτημάτων. Το μηχανουργείο πρέπει να είναι σε θέση να συγκρατεί με ασφάλεια το κενό του εξαρτήματος κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μηχανικής κατεργασίας χωρίς να εμποδίζει τη διαδρομή του εργαλείου κοπής. Οι σχεδιαστές θα πρέπει να ενσωματώνουν επίπεδες, παράλληλες και εύκολα προσβάσιμες περιοχές σύσφιξης στο σχέδιο, ακόμα και αν είναι προσωρινά χαρακτηριστικά (όπως γλωττίδες ή θυσιαζόμενο υλικό) που αφαιρούνται κατά τη διάρκεια μιας τελικής εργασίας φινιρίσματος ή μετά τη μηχανική κατεργασία. Τα σχέδια που είναι λεπτά, εύθραυστα ή έχουν σύνθετα, μη ομοιόμορφα σχήματα είναι δύσκολο να σφιγκτούν με ασφάλεια, οδηγώντας σε δόνηση (τρεμόπαιγμα), κακό φινίρισμα επιφάνειας και πιθανή κίνηση ή ζημιά στο εξάρτημα.Τέλος, η

ενσωμάτωση τυπικών χαρακτηριστικών