Častou a osudnou chybou neskúsených tímov hardvérových inžinierov je, že sa sústredia výlučne na to, aby prototyp fungoval na laboratórnom stole. Navrhnú skvelú, veľmi zložitú dosku plošných spojov (PCB) natesno vloženú do pekného krytu navrhnutého na mieru. Keď však pošlú súbory CAD zmluvnému výrobcovi (Contract Manufacturer, CM), aby vyrobil 10 000 kusov, továreň odpovie, že výrobok sa buď nedá vyrobiť, alebo bude stáť o 400 % viac, než je cieľová cena.
Stáva sa to preto, že výrobok nebol navrhnutý s ohľadom na zásady DFM (Design for Manufacturing, návrh pre výrobu) a DFA (Design for Assembly, návrh pre montáž).
Design for Manufacturing (DFM)
DFM sa zameriava výlučne na fyzickú výrobu jednotlivých dielov, najčastejšie neosadenej dosky plošných spojov (PCB) a mechanického krytu (napr. plasty vstrekované do formy alebo hliník obrábaný na CNC).
Cieľom DFM je navrhnúť diely tak, aby ich stroje v továrni dokázali vyrábať s vysokou výťažnosťou (málo chýb) a s minimálnym zásahom človeka.
Príklady DFM na PCB:
- Šírky vodivých ciest a izolačné medzery: Zabezpečiť, aby medené cesty neboli také tenké alebo tak blízko pri sebe, že ich chemické leptanie v továrni nechtiac skratuje alebo preruší.
- Via-in-Pad: Neumiestňovať vŕtané otvory (prekovy, vias) priamo do spájkovacích plôšok súčiastok, pokiaľ to nie je absolútne nevyhnutné, pretože pri spájkovaní pretavením (reflow) v peci odsávajú spájku, čo spôsobuje slabé elektrické spoje.
- Panelizácia: Navrhnúť tvar PCB tak, aby sa viac dosiek dalo efektívne rozmiestniť na jeden štandardný výrobný panel s minimálnym odpadom sklolaminátu, čím sa znižujú náklady na dosku.
Príklady DFM pri mechanických krytoch (vstrekovanie plastov):
- Úkosy (draft angles): Pridať mierny úkos na všetky zvislé steny plastového dielu, aby ľahko vykĺzol z oceľovej formy bez toho, aby sa zasekol alebo poškriabal.
- Rovnomerná hrúbka stien: Zabezpečiť rovnakú hrúbku plastu v celom diele, aby pri chladnutí a zmršťovaní roztaveného plastu nevznikali prepadliny ani deformácie.
Design for Assembly (DFA)
Kým DFM sa zameriava na výrobu dielov, DFA sa zameriava na to, ako ľahko tieto diely zmontujú pracovníci továrne alebo robotické ramená na montážnej linke. Každá sekunda, ktorú pracovník strávi orientovaním dielu, jeho skrutkovaním alebo nanášaním lepidla, stojí peniaze.
Zlatým pravidlom DFA je znižovanie počtu dielov a zjednodušovanie.
Príklady DFA:
- Zacvakávacie spoje (snap-fit) namiesto skrutiek: Nahradiť 8 drobných kovových skrutiek (pri ktorých musí pracovník manipulovať s 8 voľnými dielmi, nasadiť skrutkovač a stráviť 15 sekúnd) premyslene navrhnutými plastovými zacvakávacími spojmi, vďaka ktorým sa kryt zacvakne dohromady za 1 sekundu.
- Poka-Yoke (ochrana proti omylu): Navrhnúť konektory alebo konštrukčné diely asymetricky, aby ich pracovník továrne počas vyčerpávajúcej 8-hodinovej zmeny fyzicky nemohol vložiť opačne alebo hore nohami.
- Montáž zhora nadol: Navrhnúť výrobok tak, aby sa všetky komponenty vkladali do šasi kolmo zhora (v osi Z). Pracovník tak nemusí ťažký výrobok opakovane otáčať, aby namontoval diely na spodnú stranu.
Krivka nákladov na zmeny návrhu
Základnou filozofiou DFM/DFA je „pravidlo 10“. Oprava konštrukčnej chyby na obrazovke CAD stojí 10 $. Jej oprava po výrobe prototypu stojí 100 $. Jej oprava po tom, čo továreň vyrobila oceľové vstrekovacie formy za 20 000 $, stojí 10 000 $. Jej odhalenie až vtedy, keď 10 % výrobkov zlyhá na montážnej linke, stojí 100 000 $.
Oficiálne referencie
- IPC-A-610J — Acceptability of Electronic Assemblies — Global Electronics Association (IPC; priemyselná norma kvality montáže PCB)