Design for Manufacturing and Assembly (DfMA) ist eine Methode, bei der Bauteile und Baugruppen so gestaltet werden, dass sie sich leichter fertigen und montieren lassen. Dadurch werden Kosten gesenkt, die Genauigkeit erhöht und Fehler minimiert. Die Vereinfachung von Fertigungs- und Montageprozessen führt zu einer schnelleren Produktion, höherer Qualität und besserer Skalierbarkeit, was den Übergang von der Einzelanfertigung zur Serienproduktion erleichtert.
Design for Manufacturing beschäftigt sich speziell mit der Erstellung eines Bauteils. Dabei wird ein Rohmaterial in ein Teil verwandelt, das später mit dem Endprodukt oder einer Baugruppe zusammengefügt wird. Ziel ist es, die Herstellung der Bauteile für Menschen oder Maschinen zu erleichtern.
Das erste, was beim Design for Manufacturing zu berücksichtigen ist, ist das Material. Kommt das Endprodukt mit Chemikalien in Kontakt? Wird es in einem Flugzeug verbaut? Hat es mit Lebensmitteln zu tun? All diese Anwendungen erfordern unterschiedliche Materialien. Wenn das Endprodukt ein einfaches Schild ist, besteht keine Notwendigkeit, Titan in Raumfahrtqualität zu verwenden – das spart Kosten.
Für chemikalienresistente Anwendungen sind Titan und bestimmte Kunststoffe eine sichere Wahl. In der Luftfahrt muss das Material leicht und gleichzeitig stark sein – hier sind Aluminium oder für zusätzliche Festigkeit Titan ideal. Für Kontakt mit Lebensmitteln eignen sich UHMW und Edelstahl hervorragend.
Oft ist es günstiger, eine chemikalienresistente Beschichtung auf das Teil aufzubringen, um dessen Integrität zu sichern. Aluminium mit chemischer Beschichtung (chem-fil) kann immer noch günstiger sein als Edelstahl oder Titan.
Grundsätzlich gilt: Je stärker ein Material ist, desto höher sind die Herstellungskosten. Holz zu schneiden ist wesentlich einfacher und weniger aufwendig als beispielsweise Stahl zu bearbeiten.
Beim Design for Manufacturing muss berücksichtigt werden, wie das Teil gefertigt wird. Mit Unterstützung von SendCutSend stehen Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, CNC-Fräsen und Biegen von Blech zur Verfügung, um das perfekte Teil herzustellen.
Jedes Bearbeitungsverfahren eignet sich am besten für bestimmte Materialien. Wasserstrahlschneiden kann Metalle bearbeiten, eignet sich aber besonders für Materialien wie Carbonfaser, die sich mit anderen Methoden schwer bearbeiten lassen. CNC-Fräsen ist ideal für Holz und Kunststoffe. Laserschneiden ist besonders für Metalle bis zu einer bestimmten Stärke geeignet.
Lasergeschnittene Bleche können gebogen und in verschiedene Formen gebracht werden. So wird aus einem zweidimensionalen Material ein dreidimensionales Bauteil – wie man es beispielsweise in PC-Gehäusen findet, deren Innen- und Außenstruktur meist aus gebogenem Blech besteht.
Es empfiehlt sich, bei Biegungen, die direkt an der Kante eines Teils verlaufen, sogenannte Biegeausbrüche vorzusehen. So wird verhindert, dass das Material beim Biegen reißt oder beschädigt wird.
Wichtige Merkmale eines Teils sollten zudem nicht zu nah an einer Biegung liegen. Es ist ratsam, mindestens eine Biegestempel-Breite Abstand zu halten, da die Merkmale sonst verzerrt werden könnten.
Die am einfachsten herzustellenden Teile sind auch die besten für die Produktion – und das bedeutet nicht, dass sie für den Designer einfacher sind, sondern für die Herstellung selbst.
Ein gutes Beispiel ist das Abrunden scharfer Ecken. Kein Werkzeug kann beim Schneiden von Blechen einen perfekten 90-Grad-Innenwinkel erzeugen.
Wie in der Abbildung oben zu sehen, kann der Schneiddurchmesser nie die Innenecke exakt ausarbeiten, da die meisten Schneidwerkzeuge rund sind. Daher sollten Innenkanten stets abgerundet werden. Muss ein Bauteil mit einer 90-Grad-Ecke in eine Aussparung passen, sollte eine Entlastung für die Ecke vorgesehen werden – wie im rechten oberen Bereich der Abbildung dargestellt.
Auch wenn äußere Ecken theoretisch exakt rechtwinklig geschnitten werden können, empfiehlt es sich, sie leicht abzurunden. Das erhöht die Präzision der Maschine, verringert Rückschlagkräfte bei der Bearbeitung und sorgt zudem für sicherere Bauteile, die weniger Verletzungsgefahr bieten.
Die oben genannten Empfehlungen helfen, die Kosten zu senken und die Montage der Teile zu erleichtern. Bei größerem Produktionsvolumen sinkt der Stückpreis erheblich und es wird möglich, Produkte mit Gewinn zu fertigen.
Bei der Entwicklung eines Projekts oder Produkts ist der Montageaufwand zu berücksichtigen. Geht die Montage schnell und einfach? Oder ist sie langwierig und kompliziert? Es überrascht nicht, dass eine leichtere Montage zu weniger Qualitätsproblemen führt. Dies ist der Grundgedanke von Design for Assembly: Die Montageprozesse so einfach wie möglich zu gestalten, um Zeit und Fehler zu reduzieren sowie die Qualität zu erhöhen.
Die wichtigste Praxis im Design for Assembly ist die Reduzierung der Teileanzahl. Was ist leichter zu bauen – ein Puzzle mit 40 Teilen oder eines mit 4.000 Teilen? Das gleiche Prinzip gilt für technische Konstruktionen. Hier lassen sich beispielsweise durch den Einsatz von Permanentverbindern Vorteile erzielen: Es ist besser, eine einzige lose Schraube zu haben als eine Kombination aus Schraube, Unterlegscheibe, Federscheibe und Mutter.
Kann ein Teil mehrere Funktionen erfüllen? Anstatt ein Bauteil für die Struktur und ein anderes für die äußere Hülle zu verwenden, kann ein Bauteil beide Aufgaben übernehmen. Smartwatches und Smartphones sind auf der Rückseite – ohne Display – ein gutes Beispiel dafür.
Denken Sie außerdem an die Person oder das System, das die Montage durchführt. Für manuelle Montage sollte genügend Platz für Werkzeuge und Finger vorhanden sein. Wird die Montage von Robotern übernommen, sind Arbeitsraum und Greiferart zu berücksichtigen. Je einfacher der Aufbau für den Monteur ist, desto besser das Endergebnis.
Wie bereits erwähnt, sinkt der Preis pro Stück mit steigender Stückzahl eines Teils. Werden zudem gleiche Teile mehrfach im Aufbau verwendet, vereinfacht das den Montageprozess. Normteile, die leicht verfügbar sind, machen ein Projekt wesentlich einfacher. Ein gutes Beispiel ist ein ferngesteuertes Auto: Statt eines Sondermotors kann ein Standardmotor verwendet werden, für den es viele kompatible Teile gibt.
Die Standardisierung von Verbindungselementen ist eine weitere einfache Möglichkeit, die Montage zu optimieren. Es ist wesentlich effizienter, nur ein Werkzeug und eine Schraubenart zu benötigen, als zwischen 30 verschiedenen Schrauben und fünf Werkzeugen zu wechseln. Das reduziert Suchaufwand und Fehlerquellen.
Im japanischen Designverständnis gibt es das Prinzip der Fehlervermeidung, „Poka-Yoke“. Dabei wird das Produkt so gestaltet, dass eine fehlerhafte Montage unmöglich ist.
Das bekannteste Gegenbeispiel ist der USB-Stecker: Milliarden von Menschen haben schon versucht, ein USB-Kabel falsch herum einzustecken.
Es gibt zwei Herangehensweisen: Die erste ist, die Form so zu gestalten, dass ein Teil nur in der richtigen Orientierung passt. Ein Stecker mit drei Kontakten kann nur auf eine Weise eingesteckt werden. Auch eine D-Welle passt nur in eine D-förmige Bohrung – eine falsche Montage ist ausgeschlossen.
Die zweite Methode ist, das Bauteil so universell zu gestalten, dass die Orientierung irrelevant ist. Ein USB-C-Stecker funktioniert in jeder Richtung, ebenso wie Kopfhörer unabhängig davon eingesteckt werden können, wie das Kabel gedreht ist.
Ein oft übersehener Aspekt im Design for Assembly ist die Auswahl der richtigen Toleranzen. Es ist leicht, überall enge Toleranzen zu verlangen und Perfektion zu erwarten – das ist jedoch unrealistisch. Vielmehr sollte analysiert werden, wo größere Toleranzen zulässig sind und welche Merkmale kritisch sind.
Bei Presspassungen wie Lagerbuchsen sind präzise Toleranzen essenziell. Umgekehrt sind bei einem Radkasten, der doppelt so groß ist wie der Reifen, minimale Abweichungen bei der Reifengröße völlig irrelevant.
Wichtige Merkmale sollten vor der Festlegung der Toleranzen identifiziert werden. Wenn keine Liste dieser Merkmale existiert, empfiehlt es sich dringend, eine zu erstellen und die Konstruktion bezüglich dieser Kriterien zu überprüfen.
Zwischen beiden Optimierungsansätzen muss ein Gleichgewicht gefunden werden. In manchen Fällen lassen sich beide Ziele problemlos erreichen, in anderen Fällen sind Kompromisse erforderlich.
Eine Baugruppe kann aus drei extrem komplexen Teilen oder aus zehn einfachen Teilen bestehen. Für beide Ansätze gibt es gute Gründe – letztlich entscheidet das Budget.
Wenn ein Teil so kompliziert wird, dass es sehr teuer ist, muss mit aufwendigerer Montage gerechnet werden. Werden jedoch beispielsweise 10.000 Stück produziert und zählt jede Sekunde, sind komplexere und teurere Teile oft wirtschaftlicher. Meistens ist es sinnvoll, eine Pro- und Contra-Liste für beide Optionen zu erstellen.
Idealerweise werden multifunktionale Bauteile entwickelt. Behalten Sie stets das übergeordnete Ziel des Projekts im Blick und suchen Sie kreative Wege, dies im Design umzusetzen. Halten Sie die Dinge so einfach wie möglich – Komplexitäten zeigen sich im Laufe der Entwicklung von selbst.
