Design per la fabbricazione: una guida pratica alla DFM CNC

Il Design per la fabbricazione (DFM) è una pratica ingegneristica che prevede l'ottimizzazione del design di un prodotto per renderlo più facile, veloce e conveniente da produrre. Quando applicato alla lavorazione a controllo numerico (CNC), il DFM si concentra sull'adeguamento della geometria delle parti, sulla selezione dei materiali e sulle tolleranze per sfruttare le capacità di frese, torni e altre attrezzature CNC, riducendo al minimo i tempi di lavorazione, l'usura degli utensili e gli scarti. L'implementazione di una solida strategia DFM CNC è fondamentale per colmare il divario tra l'intento progettuale e la realtà produttiva, garantendo in definitiva un prodotto finale di alta qualità ed economico.

L'obiettivo primario del DFM CNC è ridurre i costi e i tempi di produzione complessivi senza compromettere le prestazioni o i requisiti estetici del prodotto. Ciò implica una relazione di collaborazione tra l'ingegnere progettista e l'ingegnere di produzione dell'officina meccanica. La collaborazione precoce è fondamentale, poiché le decisioni prese nelle fasi iniziali della progettazione, quando il costo delle modifiche è più basso, hanno l'impatto maggiore sui costi di produzione finali.

Una delle considerazioni DFM più immediate e significative è ridurre al minimo i tempi di setup e le operazioni. Ogni volta che una parte deve essere rimossa, riorientata e ri-bloccata nella macchina (un processo noto come operazione o setup), si perde tempo e aumenta il rischio di errore di posizione. Gli ingegneri dovrebbero sforzarsi di progettare parti che possono essere lavorate nel minor numero possibile di setup, idealmente in uno o due. Ciò può essere ottenuto concentrando le caratteristiche su una o due facce principali e garantendo spazio sufficiente per l'accesso degli utensili standard a tutte le caratteristiche da quelle orientazioni. Se una parte richiede la lavorazione su cinque facce, il costo sarà esponenzialmente più alto rispetto a una parte simile che richiede solo due setup.

Successivamente, l'attenzione deve essere rivolta a geometria delle caratteristiche e accessibilità degli utensili. Gli utensili CNC standard sono cilindrici, il che significa che producono raggi negli angoli di caratteristiche interne come tasche o fessure. Progettare angoli interni con il raggio accettabile più grande è un principio DFM semplice ma potente. Piccoli raggi interni affilati richiedono utensili di piccolo diametro e fragili, che devono funzionare a velocità inferiori, con conseguenti tempi di ciclo più lunghi e un elevato rischio di rottura degli utensili. Una buona regola empirica è specificare un raggio interno che sia almeno un terzo della profondità della tasca. Inoltre, dovrebbero essere evitate caratteristiche come fessure profonde e strette o fori ciechi. Le tasche profonde, in particolare quelle con un rapporto di aspetto (profondità rispetto alla larghezza) superiore a 4:1, richiedono utensili di lunghezza personalizzata, una rapida evacuazione dei trucioli e velocità di lavorazione inferiori, aumentando notevolmente i costi. Se una caratteristica profonda è necessaria, considerare di progettarla come due caratteristiche separate e più piccole che possono essere unite in un secondo momento o regolare il design per essere accessibile da entrambe le estremità.

Tolleranze e finitura superficiale sono spesso sovra-specificate, con conseguente spesa di produzione non necessaria. Tolleranze strette (≤ ± 0,001 pollici o meno) richiedono ambienti a temperatura controllata, apparecchiature di ispezione specializzate, operatori altamente qualificati e una lavorazione significativamente più lenta per garantire la precisione. I progettisti dovrebbero applicare tolleranze strette solo alle caratteristiche critiche che influiscono direttamente sulle interfacce di funzione o assemblaggio, affidandosi a tolleranze standard o generali per tutte le altre dimensioni. Allo stesso modo, richiedere una finitura superficiale liscia (ad esempio, $32$ Ra o migliore) aumenta i tempi di lavorazione, poiché richiede più passaggi di finitura leggera con utensili specifici. Se la funzione di una caratteristica non richiede una finitura a specchio, è necessario specificare una superficie fresata standard.

La selezione dei materiali è una scelta DFM fondamentale. Sebbene le proprietà meccaniche richieste (resistenza, resistenza alla corrosione, ecc.) restringano le opzioni, la lavorabilità del materiale scelto ha un impatto diretto sui costi. I materiali lavorabili come l'alluminio 6061, l'acciaio C1018 e l'ottone sono in genere più facili e veloci da tagliare rispetto a materiali difficili come gli acciai inossidabili della serie 300 (in particolare 303 contro 304), l'Inconel o il titanio. La lavorazione di materiali difficili porta a una durata degli utensili più breve, velocità di taglio inferiori e costi dei materiali più elevati, contribuendo tutti a un costo totale della parte più elevato. Quando le proprietà dei materiali lo consentono, il passaggio a una lega più facile da lavorare può far risparmiare tempo e denaro significativi nella produzione.

Un'altra considerazione critica è il fissaggio e il bloccaggio delle parti. L'officina meccanica deve essere in grado di tenere saldamente il grezzo della parte durante il processo di lavorazione senza ostruire il percorso dell'utensile da taglio. I progettisti dovrebbero incorporare aree di bloccaggio piatte, parallele e facilmente accessibili nel design, anche se si tratta di caratteristiche temporanee (come linguette o materiale sacrificale) che vengono rimosse durante un'operazione di finitura finale o post-lavorazione. I design sottili, fragili o con forme complesse e non uniformi sono difficili da bloccare in modo sicuro, con conseguenti vibrazioni (vibrazioni), finitura superficiale scadente e potenziale movimento o danneggiamento della parte.

Infine, l'incorporazione di caratteristiche standard semplifica il processo di produzione. Caratteristiche come le dimensioni standard delle filettature (ad esempio, filettature Unified National o metriche) consentono all'officina meccanica di utilizzare maschi e frese a filettare standard. Forme di filettatura non standard o proprietarie richiedono utensili personalizzati e costosi e spesso comportano cicli di filettatura più lenti. Allo stesso modo, l'utilizzo di dimensioni di foratura standard e il mantenimento delle profondità dei fori entro limiti ragionevoli sono semplici pratiche DFM che riducono la complessità e i costi.

In sintesi, una guida pratica alla DFM CNC incoraggia i progettisti a pensare come produttori. Riducendo al minimo i setup, aumentando i raggi interni, applicando giudiziosamente le tolleranze, selezionando materiali lavorabili, garantendo un facile fissaggio e utilizzando caratteristiche standard, gli ingegneri possono ridurre drasticamente i costi di produzione, ridurre i tempi di consegna e fornire un prodotto migliore. La chiave è comunicare tempestivamente e spesso con il team di produzione per garantire che il design sia ottimizzato per la realtà del piano dell'officina meccanica CNC.