一文读懂DFMA

制造学习联盟

2019-10-01 17:37:16

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1. 什么是DFMA：

DFMA是英文Design for Manufacture and Assembly的缩写。在弄清楚什么是DFMA之前，必须先明确Manufacture（制造）和Assembly（装配）的概念。

1.1Manufacture（制造）

狭义的制造是指材料通过某种加工工艺加工成零件的过程，例如，注塑成型就是一种制造工艺，通过注塑成型把塑胶粒子加工成塑胶零件；机械加工也是一种制造工艺，通过机械加工把金属毛坯工件加工成零件。广义的制造是指从零件到产品的整个过程，包括制造和装配过程。本文中的制造是指狭义的制造，包括如图所示的初次成型工艺和二次加工工艺，例如机加工、模压成型和注塑成型。

（制造和装配）

（机加工）

（注塑成型）

1.2 Assembly（装配）

装配是指多个零件通过组装变成半成品或成品的过程。大多数的产品都是多个零件装配而得。

（IPhone是有多个零件装配而成）

下面显示了一些装配案例；

（汽车车体激光焊接）

（发送机缸体中垫片的组装）

（logo和铭牌的组装）

1.3 DFMA （面向制造和装配的产品设计）

面向制造和装配的产品设计（Design for Manufacture and Assembly, 简称DFMA）是指在考虑产品功能、外观和可靠性等前提下，通过提高产品的可制造性和可装配性，从而保证以更低的成本、更短的时间和更高的质量进行产品设计。

DFMA可以分为DFM和DFA。

1.3.1 DFM

而根据零件制造工艺的不同，DFM又可以分为很多种，包括面向注塑加工的设计、面向机加工的设计、面向冲压的设计、面向压铸的设计、面向挤出的设计等。

常见的注塑加工的DFM设计指南包括：

均匀的零件壁厚
避免尖角
合适的脱模斜度
加强肋、支柱和孔的设计
改善塑胶件外观的设计
降低塑胶件成本的设计
注塑模具可行性设计

1.3.2 DFA

产品设计需要满足零部件的装配要求，从而使得装配效率高、成本低、不良率低等。

常见的DFA设计指南包括：

减少零件数量
减少紧固件的数量和类型
零件标准化
模块化产品设计
设计一个稳定的基座
设计零件容易抓取
避免零件互相缠绕
减少零件装配方向
设计导向特征
先定位后固定
避免零件装配干涉
为辅助工具提供空间
为重要零部件提供止位特征
防止零件欠约束和过约束
宽松的零件公差要求
装配中的人机工程学
电缆的设计
防错的设计

（详细设计指南请参考钟元著、机械工业出版社出版的《面向制造和装配的产品设计指南》一书）

如下图所示的产品，通过应用DFA设计指南，去除了9个螺钉（图中以红色显示）和2个钣金件（图中以灰色显示），不但降低零部件成本，而且使得装配效率大幅提高。

钟工在不少公司做培训和咨询的时候发现，很多工程师都知道DFM，但是很少有工程师知道DFA，当然就更无从谈起进行DFA的相关设计。钟工认为，对产品的质量和成本来说，DFA所能起的帮助远远大于DFM，这需要引起企业的重量。

1.4 DFMA的特点

由于DFMA一开始就充分考虑到制造和装配的需求，那么量产后因为制造和装配而引起的问题就很少，具有以下特点：

第一次就把事情做对，设计修改少；
产品开发周期短；
产品成本低，质量高。

2. 传统产品开发模式

与DFMA对应的就是传统产品开发模式。在传统产品开发模式下，产品设计工程师在设计产品时，把大多数的精力用于满足客户要求、以及产品的质量和可靠性等，而对产品能否顺利制造、能否顺利装配漠不关心，认为这部分工作是生产组装部门的事情，与产品设计无关。

（传统产品开发模式下，产品设计工程师的关注点是千方百计满足用户需求）

这样的方式也称为抛墙式设计。即产品设计时，不考虑制造和装配，设计完成后直接把产品抛给生产制造部门进行制造和装配。而生产制造部门在进行制造和装配时，肯定会发现产品无法制造和装配、或者制造和装配的成本高、质量低，那么又会要求设计部门重新修改设计，使得其容易制造和装配。这样的后果是：

产品无法一次性做对，需要反反复复的修改；
产品开发周期长；
产品成本高，质量低。

（抛墙式设计）

下面这张图，非常形象的形容了传统产品开发模式的特点：

或者同下图：

工程师们可以仔细回忆自己的产品开发经历是不是这样：在三维图中产品画得很完美，而产品一旦开始样品制作、小批量生产、大批量生产，不是螺丝锁不上就是外观间隙大，总之问题多多。大多数的原因就是没有考虑到DFMA。

在传统产品开发模式下，工程师每一天的主题就是改图--改图--改图。有些时候，甚至担心接到生产制造部门的电话，又要改图？改图不但使得产品成本高，工程师的绩效考核无法满足标准，不能升职加薪，同时长期的改图会让工程师没有一点工作成就感。

下面以一个断路器的案例来说明什么是传统产品开发模式下的设计，即非DFMA的设计。

如图所示是一个正泰的家用断路器。从宣传页面来看，是不是很完美很漂亮？

https://item.jd.com/4547860.html

但是，当钟工拿到产品实物之后，发现产品的塑料外壳外观很一点也不完美，侧面有很多缩水的凹痕痕迹（图中红点附近）。注：因为光线和拍照水平的关系，照片中的凹痕不是很明显，实际上很严重。

开产品后，发现这些凹痕是由于外壳的设计不符合注塑加工的DFM要求。

在缩水凹痕的对应处，壁厚过厚（图中红点处，基本壁厚为1.6mm，但红点处达到4.5mm）；在注塑加工时，如果局部壁厚过厚，零件在冷却收缩时，会因为缩水而产生凹痕。这是塑胶件最常见的外观质量缺陷。当然，更不用说，壁厚过厚会造成冷却时间急剧增加，从而使得注塑成型周期加长，加工成本增加，这是DFC（Design for Cost）关注的内容，在9月出版的书籍《面向成本的产品设计：降本设计之道》中会重点讲述这方面内容。

继续研究断路器塑料外壳的历史发现，断路器外壳最早是使用热固性塑料，通过模压成型加工。而模压成型对零件壁厚是否过厚并没有相应的DFM要求。

很显然，当断路器外壳的材料替代为热塑性塑料，加工工艺替代为注塑成型时，产品设计还是沿用原来的思路，没有根据新的加工工艺而进行相关变化，可以说完全没有DFMA的意识。

(模压成型)

3. DFMA的价值

DFMA可以缩短产品上市时间、降低产品成本、减少装配不良率、减少单独的紧固件等等，如图所示。

我们可以把DFMA的价值分为四大类：

减少产品设计修改：
缩短产品开发周期；
降低产品成本；
提高产品质量。

3.1 减少产品设计修改

DFMA通过以下手段来减少产品设计修改次数：

产品设计一开始具有很好的可制造性和可装配性，满足制造和装配的要求。产品进入制造和装配阶段后，产品制造和装配顺利，设计修改自然就少；
把设计修改集中在产品设计阶段，第一次就把事情做对；
产品设计阶段设计修改灵活性高，修改容易；产品制造和装配阶段以及量产设计修改灵活性低，修改困难。

3.2 缩短产品开发周期

DFMA第一次就把事情做对，相对于传统产品开发模式，DFMA可以缩短39%的产品开发周期。

当然，DFMA要求投入较多的时间和精力在产品设计之中，用于选择最合适的材料、制造工艺和装配工艺、DFMA设计以及DFMA讨论等，在产品设计阶段就确保产品设计具有一个很好的可制造性和可装配性。

3.3 降低产品成本

DFMA通过以下手段来降低产品成本：

减少设计修改次数，降低修改成本。一方面，DFMA的设计修改少；另一方面，DFMA把修改集中在修改费用较少的产品设计阶段。在产品设计阶段，如果要修改，只需要在三维图修改即可，基本上没有成本。而随着产品开发的推进，修改成本急剧上升，因为修改会涉及到模具、治具和生产线等，甚至会涉及到不良品召回。
通过DFA的设计，简化产品设计，降低产品成本。如下图所示的案例，原始设计中包含很多个零部件，材料成本、制造成本和装配成本最高；通过DFA优化后的优化设计中，零部件数量减少，材料成本、制造成本和装配成本有较大幅度的降低；最终的设计中，DFA优化到极致，只有两个零件，材料成本、制造成本和装配成本最低。
通过DFA的设计，减少装配工序和装配时间，降低装配成本；
通过DFM的设计，简化零件设计，减少零件材料用量，缩短零件加工时间，降低零件制造成本。
通过DFMA，降低产品不良率，减少成本浪费。

3.4 提高产品质量

通过DFMA，产品具有很好的可制造性和可装配性，产品设计在产品开发阶段就得到了优化和完善，因此避免了产品在后期制造和装配产生中的质量问题，大大提高了产品的质量。

如图所示是一个塑胶件，通过注塑成型工艺加工。错误的设计没有遵循零件壁厚不能太厚的DFM设计要求；注塑加工后，零件会发生扭曲和缩水等质量缺陷。如果一开始就进行正确的DFM设计，把壁厚过厚处材料去除，那么注塑加工后自然就不会出现扭曲和缩水等质量缺陷。

4. DFMA的实施

4.1 转变思想

工程师在之前的产品开发中，只专注于客户需求，不关注来自于制造和装配端的需求，这是一个非常落后的产品开发观念。DFMA的实施要求企业和工程师转变思想，把来自于制造和装配端的需求与客户需求提到几乎是同等地位。在产品开发时时，需要时时刻刻想着制造和装配端的需求。

而对于企业管理层来说，之前“重制造、轻设计”，愿意投入巨资来购买精密的生产设备，也不愿意投入资金到产品设计中。需要转变为“轻制造、重设计”，产品设计才是决定产品质量、产品成本和产品开发周期的关键，需要投入资金来提高工程师的技术能力、进行相关培训以及购买相关设备和软件等。

4.2 了解制造和装配工艺

对于产品设计工程师来说，要精通每一种种制造工艺和装配工艺是不可能的事情。但是，如果自己设计的产品将来会用到某一种制造工艺或装配工艺，那么至少应当去充分了解这种工艺。否则，对这种制造工艺或装配工艺不了解，何谈设计产品去满足这些要求呢？

看到这里，有的工程师可能会说：这些制造工艺或装配工艺学校里都没有教过，大学四年的唯一成果就是做了一把榔头；在公司也没有人懂这些工艺。我想学也学不了啊。

此时此刻，可以参考【原创】工程师必备能力之资料搜索能力这篇文章，去搜索下载相关工艺资料，即可自我学习，钟工只能帮到这了。

4.3 DFMA是一项团队工作

单纯依靠产品设计工程师是无法完成DFMA的工作。这是因为产品制造和装配工艺众多，产品设计工程师无法精通所有的工艺。在产品开发时，尽管产品设计工程师可以去主动学习所需要使用的制造和装配工艺，但是在短时间内做到专家的水平。这个时候，就需要整个DFMA团队的帮助，甚至外部供应商的帮忙。在产品开发之初，就成立DFMA团队，该团队的核心是产品设计工程师，以及来自生产部门的制造工程师和装配工程师。这里的制造工程师包括注塑工程师、冲压工程师等。

（DFMA团队）

在有些外资企业，考虑到产品的制造和装配可能是由外部供应商来完成，研发团队除了产品开发工程师外，还包括制造工程师和装配工程师，他们的工作主要有两点：

确保产品设计符合制造和装配的要求。他们会介入到每一个产品开发中，从产品开发之初就作为产品开发团队的一员，直到到产品开发完成。当产品设计工程师完成三维设计后，必须经过他们的批准才能进入到下一阶段的样品制作和开模，从而避免不具备DFMA的设计进入到量产。另外，当产品设计工程师对产品设计是否满足制造和装配的要求有疑问时，可以随时向他们咨询。
确保供应商开发的模具和生产流程等符合品质要求。供应商的能力水平千差万别，同时供应商有自身利益的诉求，因此需要专业人士的管控。

4.4 实施DFMA产品开发流程

流程是一个企业成功的关键，对产品开发也是如此，DFMA流程如图所示。

（DFMA流程）

DFMA流程有三个关键：

材料和工艺选择。材料、制造和装配工艺是战略问题，DFMA设计和DFMA讨论是战术问题。选择最合适的材料、制造和装配工艺对产品能否顺利的、低成本和高质量的生产更为重要，因为这决定了制造和装配的大方向。一旦方向选择错误，无论后期如何弥补，都改变不了本质的问题。当然，如何选择最合适的材料、制造和装配工艺是一大难题，在9月出版的《面向成本的产品设计：降本设计之道》会有三个章节来分别介绍，本公众号后续也会介绍相关知识。
DFMA设计。选择好材料、制造和装配工艺后，就需要针对这些工艺进行详细的DFM和DFA设计。这一部分内容已经在《面向制造和装配的产品设计指南》一书中详细介绍。本公众号后续也会介绍相关知识。
DFMA讨论。当设计完成后，需要组织DFMA团队对产品设计进行讨论，确保产品设计符合制造和装配端的要求。

三者的关系如下图所示：

4.5 DFMA培训

不少工程师一般对自己的设计的产品很蜜汁自信，很难接受他人对自己的设计指点。钟工也是如此，在过去的产品开发经历中，当他人友好的指出我的设计错误时，尽管我已经在提醒自己要保存一个开放的心态，但心里依然是排斥的，总是找理由去拒绝别人的好的建议，实在想不出好的理由时，就用一个万能的理由“这是客户的要求，设计改不了”。

可以看出，让工程师修改原有的设计就是一件很难的事情了。那么，要改变工程师的设计思路和设计思想那就更是难上加难了。这个时候，必须对工程师进行DFMA培训，让工程师从根本上意识到DFMA的重要性，掌握好DFMA不但对企业有帮助，对工程师自身的职业发展也大有好处。前几天与曾经培训的一家公司技术部门负责人聊天中得知，在进行DFMA培训和推广之后，公司去年的改模费用相对于前几年降低了20%左右，这不得不说DFMA确实能带来立竿见影的作用。