DfM ist dabei ein Teil der Design for X (DfX) – Familie. Bei dieser handelt es sich um eine umfassende Konstruktionsmethodik im Produktdesign, die Einschränkungen seitens der Fertigung bereits von Beginn des Konstruktionsprozesses bzw. des Designs an berücksichtigt, und dabei darauf abzielt, Fehler zu verringern, Kosten zu senken, und Vorlaufzeiten in der Fertigungsphase zu mindern.

DfM unterscheidet sich dabei vom Design für die Montage dadurch, dass diese die Montage des Produktes in den Konstruktionsprozess einbindet. Dennoch gibt es auch Quellen, die beide Methoden in etwas kombinieren, das man Design for Manufacturing and Assemble (DfMA), also das Design für Fertigung und Montage nennt.

Konsequenzen des Ignorierens des Designs für die Fertigung

Ignoriert man DfM-Prinzipien, so führt dies oft zu signifikanten Engpässen im Produktionsprozess:

• Verzögerungen aufgrund der Veränderungen im Entwurf, die jedoch für die Validierung der Fertigung erforderlich sind.
• Mögliche Qualitätsprobleme mit dem Produkt.
• Erhöhte Produktionskosten aufgrund suboptimaler Konstruktion der Teile, was mehr Abfälle verursacht, Neukonstruktionen erfordert und die Produktionszeiten verlängern kann, 

Beispiel: Die Herstellung von ABS-Kunststoffteilen mit einer zu 35% ungleichmäßigen Wandstärke führt zu unterschiedlichen Abkühlungsraten, was als Folge zu Verformungen und Qualitätsproblemen führt. Die Neukonstruktion und die nicht geplanten Kosten für neue Formen hätten vermieden werden können, indem die Regeln für den Spritzguss eingehalten geworden wären.

Streben Nach Besseren Lösungen

Wir wissen jetzt, was passiert, wenn die Prinzipien des DfM nicht berücksichtigt werden. Wo liegen dann aber die Vorteil einer Konstruktion für die Fertigung (DfM), und weshalb sollte man sich damit herumschlagen sich noch zusätzliche Komplexität in die Entwurfsphase hinein zu holen?

Einfachheit

Die erste Aufgabe des Design for Manufacturing besteht in der Vereinfachung der Geometrie. Dies bedeutet, den Einsatz des einfachsten Designs, das dennoch die gewünschte Funktionalität beibehält zu realisieren, während die Bearbeitbarkeit, Formbarkeit, Bedruckbarkeit oder was auch immer durch die Wahl der Fertigungsmethodik bestimmt wird.

Das DfM beinhaltet deshalb oft die Minimierung der Anzahl von Teilen oder Komponenten in einem Produkt durch die  (falls mögliche) Kombination von Funktionen, was zu einer einfacheren Fertigung und einfacheren Montageprozesses und somit zu geringen Produktionskosten führt.

Letztendlich führt ein längerer und komplexerer Designprozess zu Produkten, die einfacher zu fertigen sind.

Leichte Montage

Streng genommen gehört die Montage eigentlich in den Bereich des Design for Assembly (Design für die Montage) bzw. des DfMA. Dennoch gehört diese Perspektive auch hier dazu, da sie eine wichtige Stufe des gesamten Fertigungsprozesses darstellt.

Die Optimierung der Montage bedeutet, dass komplexe oder manuelle Montageschritte möglichst minimiert werden. Die Konstrukteure erreichen dies, indem sie Teile entwerden, die auch ohne Spezialwerkzeug leicht zusammenpassen. Darüber hinaus werden sogenannte Poka Yoke – Prinzipien angewendet um Fehler dadurch zu vermeiden, dass es nur einen möglichen Weg gibt die Montage durchzuführen.

Beispiel: Schnappverschlüsse an Kunststoffprodukten erlauben es, dass Teile ohne Werkzeuge montiert werden können, was sowohl Zeit als auch Kosten für den Montageprozess reduziert.

Normierung

Durch den Einsatz normierter oder standardisierter Komponenten, Materialien und Prozess reduzieren sich Produktionskosten und die Fertigungszeit erheblich. Es vereinfacht zudem die Wartung für den Endanwender (siehe unseren Artikel über das Design for Maintenance (DfM) / Design für die Wartung) Umgekehrt gesehen ist die Herstellung kundenspezifischer Teile von Natur aus teuer und zeitaufwändig.

Die Normierung sorgt also auch für eine erhöhte Konsistenz in der Produktqualität.

• Standardmaße: Die Konstruktion mit Standardradien und -stärken wie z.B. mit gängigen Standardmaßen (Gauges) bei Blechen, vereinfacht den Herstellungsprozess.
• Lieferkette: Der Einsatz von Materialien, die in der Umgebung leicht zu beschaffen sind erleichtert das Finden von Lieferanten ungemein, reduziert die Vorlaufzeit und die Kosten für die Logistik.

Realistische Toleranzen

Im DfM werden die Toleranzen so optimiert, dass sie eine korrekte Passung zwischen zwei Elementen gewährleisten. Die Konstrukteure müssen jedoch vorsicht sein, um keine Übertoleranzen zu erzeugen, da zu enge Toleranzen einen massiven Einfluss auf die gesamten Herstellungskosten haben.

Die Grundlage dafür, das alles richtig hinzubekommen, umfasst zwei Schritte:

1. Das Verständnis der Genauigkeit, die tatsächlich erforderlich ist um Funktion und Langlebigkeit zu gewährleisten.
2. Das Wissen um die Genauikeiten, die verschiedene Herstellungsverfahren überhaupt erreichen können.

Während zum Beispiel CNC-Bearbeitungsverfahren eine extrem hohe Präzision erreichen, leiten die Standard-Richtlinien für technische Passungen die Konstrukteure immer eher in Richtung der lockersten realisierbaren Option leiten um auf jeden Fall die Funktionalität sicherzustellen.

Beispiel: Optionen in der Blechfertigung: Falls Sie Teile für die Blechfertigung beziehen, spielen die Toleranzen eine wichtige Rolle bei der Auswahl des Verfahrens. Flammen-, Plasma-, Laser- und Wasserstrahlverfahren: Sie können alle Eisenbleche schneiden.

Die Genauigkeit und Kosten variieren jedoch erheblich zwischen ihnen. Das Formulieren einer sehr engen Toleranz kann es erforderlich machen, dass man sich für ein teureres Verfahren wie das Laserschneiden entscheiden muss, obwohl das Plasmaschneiden eigentlich ausreichend gewesen wäre.

Kontante Weiterentwicklung (Iteratives Design)

DfM ist dabei nichts, dass man einfach abhakt; es ist ein iterativer Prozess. Die Entwürfe sollten regelmäßig von funktionsübergreifenden Teams überprüft werden, zu denen natürlich auch Fertigungsingenieure gehören, um potentielle Probleme mit der Qualität oder dem Produktionsfluß zu identifizieren.

So kommen neue Informationen oft erst nach ersten Testläufen oder dem Beginn der Produktion ans Licht. Es ist deshalb essenziell, dass diese neuen Erkenntnisse angewendet werden um den Entwurf hin zu einer verbesserten Qualität und höherer Geschwindigkeit hin zu optimieren.

• Kontinuierliche Verbesserung: Statt ein Produkt nur „gut genug“ zu versenden, ermutigt das DfM dazu nach besseren Lösungen zu suchen.
• Geschäftliche Auswirkungen: Dies entspricht der Geschäftsphilosophie „Die eigenen Produkte durch eigene Innovationen obsolet machen“ statt dies der Konkurrenz zu überlassen.

Prinzipien des Design for Manufacturing

Das Design for Manufacturing fokussiert sich auf kritische Elemente, die direkt den Erfolg in der Produktionsphase bestimmen: das Finden des richtigen Verfahrens, die Definition der Produktgeometrie sowie das Treffen der richtigen Materialauswahl.

Lassen Sie uns tiefer in jeden dieser Schritte eintauchen.

Auswahl des Fertigungsverfahrens

Nach der ersten Entwurfsphase muss das Konstruktionsteam den am besten geeigneten Herstellungsprozess und dafür das zugrundeliegende Herstellungsverfahren bestimmen. Die zu treffenden Wahl ist dabei selten schwarz oder weiß; es ist viel mehr ein strategischer Balanceakt zwischen Ansprüchen an die Qualität, das Produktionsvolumen sowie die Kostenbeschränkungen, die oft im Projektmanagement-Dreiect visualisiert werden.

• Werkzeugstrategie: Die Konstrukteure müssen frühzeitig über die zu nutzenden Werkzeuge (Formen, Matrizen, Halterungen) nachdenken. Der Kauf und die Fertigung von Werkzeugen ist dabei oft der größte einzelne Kostentreiber im Vorfeld der Fertigung, weshalb es entscheidend ist, den Fertigungsprozess am Produktionsvolumen ausgerichtet zu gestalten.

Beispiele für die Verfahrensauswahl: CNC vs. Blechfertigung

• CNC: Wird gewählt, wenn hohe Präzision und komplexe 3D-Geometrie nicht verhandelbar sind. Die CNC-Bearbeitung erlaubtdurchaus Flexibilität lässt sich jedoch nicht schlecht kostentechnisch skalieren, wenn es um hohe Stückzahlen geht.
• Blechfertigung: Oft die bessere Wahl für Gehäuse und Halterungen. Einfach nur die Designrichtlinien für das Blechbiegen zu verinnerlichen kann bereits eine deutlich einfachere und kosteneffektive Lösung für Sie erschließen, die leicht vom Laserschneiden hinauf auf das automatische Stanzen hochskaliert werden kann.

Design und Konstruktion

Die Design- bzw. Entwurfsphase lässt sich in zwei einzelne Phasen unterteilen: Das Anfängliche Design und die Detaillierte Konstruktion.

• Anfängliche Designphase: In dieser werden die hauptsächliche Geometrie und Funktionalität festgelegt. Diese müssen dabei von Anfang an mit dem beabsichtigten Herstellungsverfahren kompatibel sein; ansonsten vergeudetet man die Detaillierte Konstruktionsphase auf Elemente, die im Grunde so nicht herstellbar sind.
• Detaillierte Konstruktionsphase: Sobald das Verfahren festgelegt wurde (z.B. CNC-Bearbeitung), wird der Entwurf unter Anwendung der Prinzipien des DfM verfeinert. Der endgültige Konstruktionsentwurf muss dabei die Grenzen des Verfahrens berücksichtigen und gleichzeitig seine einzigartigen Möglichkeiten möglichkeiten maximieren.

Praktische Anwendung: CNC-DfM-Prüfungen Falls sich das Team dann also auf die CNC-Bearbeitung geeinigt hat, konzentriert sich die Detaillierte Konstruktionsphase auf die entsprechenden CNC-typischen Konstruktionsprinzipien. 

• Innenradien: Sicherstellen, dass die Ecken den Radien der Schaftfräser entsprechen.
• Wandstärken: Vermeiden von dünnen Wänden, die ein Klappern verursachen könnten.
• Normierung/Standardisierung: Anpassung von Lochgrößen an die Standardbohrer, um aufwändige individuell gefertigte Werkzeuge zu vermeiden.
• Präzision: Vermeiden enger Toleranzen auf nicht-kritischen Merkmalen, um die Bearbeitungszeit zu verkürzen.

Materialauswahl

Die Materialauswahl ist einer der Haupttreiber der Herstellungskosten, bestimmt die Qualität mit, die erreichbaren Toleranzen sowie die Produktionszykluszeiten. Die Konstrukteure müssen deshalb die Materialien nicht nur anhand der Leistung während der Endanwendung bewerten, sondern auch hinsichtlich der Verarbeitbarkeit – wie sich das Material also während der maschinellen Bearbeitung verhält, wie es gegossen werden kann, oder der Belastung beim Druck widersteht.

Die Kostenanalyse muss in diesem Zusammenhang alse nicht nur die reinen Rohmaterialkosten berücksichtigen, sondern auch die Verfügbarkeit, Abnutzung der Anlagen und Werkzeuge sowie die Anforderungen an die Entsorgung.

Kategorie der Eigenschaft	Wichtigste Überlegung	Auswirkung auf die Fertigung
Mechanisch	Festigkeit, Härte, Schlag- und Stoßfestigkeit	Härtere Materialien erhöhen den Werkzeugverschleiß und die Bearbeitungszeit; eine hohe Stoßfestigkeit ist aber zum Beispiel entscheidend für haltbare Gehäuse.
Thermisch	Leitfähigkeit, Ausdehnung, Hitzebeständigkeit	Eine starke Wärmeausdehnung führt zu Verformungen im Spritzguss; die Wärmeleitfähigkeit diktiert dabei die (Kühl-)Zykluszeiten.
Verarbeitbarkeit	Viskosität, Zerspanbarkeit, Schweißbarkeit	Bestimmt die Zykluszeiten (z.B. die Durchflussrate im Guss) sowie die Fehlerraten während der Produktion.
Elektrisch	Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante	Entscheidend bei Teilen, die Bearbeitung durch EDM (Funkenerosionsbearbeitung) oder eine elektrische Isolierung erfordern.
Physisch	Dichte, Optische Rein-/Klarheit	Die Dichte beeinflusst das Versandgewicht und auch den Materialverbrauch; für Klarheit ist hingegen oft eine hochglanzpolierte Gussform erforderlich.

Beispiel: Polycarbonat (PC) -gehäuse Die Gehäuse von Smartphones werden oft aus Polycarbonat gefertigt, um bestimmte Eigenschaften zu nutzen:

• Schlag-/Stoßfestigkeit: Die hohe Haltbarkeit schützt die innenliegende Elektronik.
• Gießbarkeit: Gute Fließeigenschaften ermöglichen komplexe Geometrien und dünne Wände.
• Ergebnis: Schnellere Fertigungszyklen und geringere Fehlerraten im Vergleich mit weniger gut zu verarbeitenden Kunststoffen.

Integration des DfM in den Designprozess

Damit das DfM effektiv sein kann, muss es von Anfang an Teil des Produktentwicklungszyklus sein. Das DfM nur als eine Art „Abhaken“ vor Beginn der Produktion durchzuführen, führt häufig zu kostspieligen Neukonstruktionen. Stattdessen sollte es als kontinuierliche Test- und Verbesserungsschleife gesehen werden.

Der integrierte DfM-Workflow folgt dabei in der Regel zwei verschiedenen Phasen:

1. Vorläufige DfM (Konzeptionsphase)

Diese Phase findet während der Entwicklung des Konzepts und der Materialauswahl statt. Ihr Ziel ist es, eine tragfähige Grundlage zu schaffen, bevor die detaillierte Arbeit im CAD beginnt.

• Anforderungen Definieren: Definieren Sie die funktionellen Anforderungen so klar wie möglich, um die Auswahl der geeigneten Materialien einzugrenzen.
• Verfahrensauswahl: Entscheiden Sie sich möglichst früh zwischen potentiellen Verfahren (z.B. Druckguss vs. Maschinelle Bearbeitung).
• Grenzprüfung: Entwickeln Sie die ersten Konzeptionen unter expliziter Berücksichtigung der Grenzen des gewählten Prozesses.
• Bewertung: Führen Sie erste Bewertungen zusammen mit Ihren Fertigungsingenieuren durch, um Machbarkeitsprobleme bereits frühzeitig aufzuzeigen.

2. Detaillierte DfM (Validierungsphase)

Sobald das Konzept eingefroren ist, fokussiert sich das detaillierte DfM auf die Optimierung der spezifischen Geometrie und die Dokumentation.

• Geometrieoptimierung: Anpassung der Wandstärken, Radien sowie der Merkmale auf Grundlage der Testergebnisse.
• Toleranzanalyse: Validierung der Toleranzen, die erreichbar und erforderlich sind.
• Prototypenvalidierung: Nutzung der Prototypen, um Annahmen zu validieren, oder unvorhergesehene physikalische Probleme (wie z.B. Vibrationen oder Hitzeverteilung) zu erfassen.
• Dokumentation: Finalisierung der technischen Zeichnungen und zugehörigen Spezifikationen.

Szenario der Optimierung einer Aluminiumpumpe

Ein Hersteller entwickelt eine kleine Pumpe aus Aluminium. Der ursprüngliche Entwurf skizziert den grundlegenden Strömungsweg.

Phase 1: Vorläufige DfM Das Designteam arbeitet frühzeitig mit Fertigungsingenieuren und Beschaffungsspezialisten zusammen. Sie identifizieren dabei nicht nur potentielle Risiken in der Lieferkette, sondern auch grundlegende Einschränkungen in der maschinellen Bearbeitung.

Phase 2: Prototypenbau & Forschung Die ersten Prototypen zeigen zwei kritische Probleme auf:

1. Tiefe Hohlräume: Erfordern teure, nicht standardisierte Werkzeuge.
2. Vibrationen: Verursacht durch zu dünne Wände, die sich unter Last verbiegen.

Phase 3: Detaillierte DfM-Korrekturen: Das Team vermindert die Tiefe der Hohlräume und erhöht gleichzeitig die Wandstärken für eine höhere Steifigkeit.

Der endgültige Prototyp bestätigt eine stabile Leistung bei deutlich geringeren Werkzeugkosten.

Checkliste: Das DfM-Audit

Über den gesamten Lebenszyklus des Produkts hinweg sollte das Ingenieurteam stets den Entwurf im Hinblick auf diese entscheidenden Fragen überprüfen:

• Kann das Produkt mit Standardkomponenten oder -Verfahren gefertigt werden?
• Sind die Toleranzen zu eng? Ist ein Standardtoleranzblock ausreichend?
• Gibt es Teile, die kombiniert oder gänzlich eliminiert werden können, um die Montagezeit zu verkürzen?
• Erfordert der Prozess individuell angefertigte Werkzeuge oder Aufbauten? Falls das der Fall ist, sind diese Kosten zu rechtfertigen?
• Ist die Montagephase einfach?
• Ist der gesamte Fertigungsprozess angesichts des Produktionsvolumens kosteneffizient? 

Am DfM beteiligte Teams

Ein erfolgreiches DfM ist von Natur aus funktionsübergreifend. Es erfort, dass die „Silos“ (manchmal würde man wohl auch die „Fronten“ sagen), zwischen dem Konstruktionsbüro und der Halle, in der die Produktion stattfindet, aufgebrochen werden. Das ist aber nicht nur die Aufgabe der Konstrukteure; es ist eine gemeinschaftliche Anstrengung, an der mehrere Interessengruppen beteiligt sind.

Die DfM-Verantwortungsmatrix

Rolle	Verantwortlichkeit im DfM	Kritische Interaktionen
Konstrukteure	Erstellen die anfängliche Geometrie und kollaborieren mit Anderen, um Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten.	Müssen die kritischen Abmessungen und Toleranzdaten von der Fertigungsingenieuren erhalten.
Fertigungs- ingenieure	Definieren den Prozessablauf, Werkzeuge und Ausrüstungsbeschränkungen, nachdem das Konzept definiert wurde, jedoch bevor das Projekt abgeschlossen wird.	Geben Konstrukteuren und dem „Kosten“-Team wichtige Einblicke in Zykluszeiten und Werkzeugkosten.
Beschaffung	Identifizieren geeignete Lieferanten und stellen die Verfügbarkeit und Qualität der Rohmaterialien und Komponenten sicher.	Arbeiten dafür mit der Fertigung zusammen, um die Beschaffung bestimmter Materialien zu validieren.
Qualität (QA/QC)	Bestimmen die Qualitätsstandards und identifizieren potenzielle Fehlerrisiken bereits frühzeitig während der Konstruktion.	Etablieren Prüfverfahren zusammen mit Konstruktions- und Fertigungsteams.
Kosten- schätzungs- team	Kalkulieren die Fertigungskosten auf Grundlage der Konstruktionspläne und bestimmen die finanzielle Auswirkung bestimmter Designentscheidungen.	Validieren, ob ein „optimierter“ Entwurf tatsächlich die Gesamtkosten verringert.
Produkt- manager	Stellen sich der Notwendigkeit, dass ein herstellbares Design weiterhin die Bedürfnisse der Kunden erfüllt und dabei auch den Unternehmenszielen entspricht.	Fungiert als Torwächter zwischen technischen Erfordernissen und den Anforderungen des Marktes.

Analysewerkzeuge und -techniken im Design for Manufacturing (DfM)

Eine DfM-Analyse nutzt verschiedene Techniken und Werkzeuge, einschließlich einer Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA), Finite-Elemente-Analyse (FEA) sowie eine DfM-Analyse-Programme und CAM-Software.

Analysemethoden (FMEA und FEA)

• Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA): Eine systematische Herangehensweise, die zur Identifizierung und Priorisierung möglicher Fehler im Entwurf oder im Prozessablauf verwendet wird. Im DfM nutzt man die FMEA , um die Risiken die in Verbindung mit bestimmten Herstellungsschritten stehen, zu minimieren.
• Finite-Elemente-Analyse (FEA): Wird dafür eingesetzt, um anhand mathematischer Modelle vorherzusagen, wie sich ein Teil unter physischer Belastung verhalten wird (Vibration, Hitze, Lasten). Dies hebt jene Geometrie hervor, die vor dem Produktionsbeginn verstärkt oder anderweitig angepasst werden muss.

DfM-Analysesoftware

• In CAD integriertes DfM: Tools wie DfMPro sind direkt in CAD-Software integriert, und markieren Probleme, wie zum Beispiel zu tiefe Löcher oder zu enge Radien, in Echtzeit.
• CAM & Simulationen: Konstrukteure verwenden CAM-Werkzeuge, um Werkzeugpfade und die Ausrichtung des Teils zu simulieren. Dies erlaubt es, Kollisionen zu erkennen, nicht bearbeitbare Merkmale aufzuzeigen oder Flussprobleme in einer Form zu erkennen, bevor der Stahl erst geschnitten wird.
• KI-gestützte DfM-Prüfungen Engines zur Online-Angebotserstellung (wie die Instant Quoting Engine®) funktionieren ebenfalls als schnelle DfM-Tools. Durch das Hochladen einer step-Datei erhalten die Konstrukteure ein sofortiges Feedback zu möglichen Herstellbarkeitsproblemen wie zu dünne Wände oder Merkmale, die mit dem gewählten Verfahren nicht erreichbar sind.

Simulation & Rapid Prototyping

Simulationen des Produktes oder der Fertigungsprozesse inkl. der Werkzeuge, wie zum Beispiel in CAD oder CAM, erlaubt es den Konstrukteuren verschiedene Aspekte des Produktes oder Prozesses erst einmal zu testen. Dazu gehören sowohl Werkzeugpfade, die Teilgeometrie und -ausrichtung, die Materialauswahl aber auch die Montage des Produkts, noch bevor Prototypen zur Minimierung auftretender Probleme gefertigt werden.

Simulationen sind der einfachste Weg, um schnelles Feedback hinsichtlich eines Entwurfs zu erhalten. 3D-Druck wird dann in der Regel dafür eingesetzt, Rapid Prototyping durchzuführen, was es den Konstrukteuren erlaubt, die Zeit für Tests zu verringern, aber auch Qualitätsprobleme zu mindern.

Integration nachhaltiger Praktiken in das DfM

Ein wachsendes Bewusstsein für Umweltprobleme bei Verbrauchern und Unternehmen treibt die Einführung nachhaltiger Praktiken an, die manchmal über die gesetzlichen Anforderungen hinausgehen.

Materialauswahl

Ein auf Nachhaltigkeit fokussiertes DfM priorisiert erneuerbare, biologisch abbaubare, lokal zu beziehende oder bereits recycelte Materialien. Die Konstrukteure wählen die Materialien natürlich so aus, dass diese die Leistungsanforderungen (mechanisch, thermisch, etc.) erfüllen können, stellen jedoch auch sicher, dass dies möglichst nachhaltig und mit einer geringen Last für die Umwelt verbunden ist.

Entsorgung

Im Design for Manufacturing berücksichtigen die Konstrukteure die Abfallentsorgung im Hinblick auf den Umweltschutz und die Einhaltung von Umweltvorschriften.

Sie prüfen deshalb die Entsorgungsmethoden der Produkte und der Rohstoffe bereits in der Designphase, da sich diese Betrachtungen auf die Materialauswahl auswirken.

Energieverbrauch

Nachhaltigkeitsorientiertes DfM berücksichtigt zudem den Energieverbrauch der Herstellungs- und Entsorgungsprozesse, da er sich auf den Fußabdruck des Projekts und die Kosten des Produkts auswirkt. Deshalb berechnen die Konstrukteure bei der Auswahl des Verfahrens, der Gestaltung des Prozessablaufs und bei der Auswahl der Materialien auch den damit verbundenen Energieverbrauch.

Beispiel: Industrielle Wärmetauscher nutzen oft die Energie aus warmen Abwässern, um das in die Kessel eingespeiste Wasser vorzuheizen. Die Integration solcher Wärmerückgewinnungsschleifen kann, wenn sie bereits auf der Ebene des Anlagendesigns berücksichtigt wird, die operativen Energiekosten reduzieren.

Lebenszyklusanalyse

Die Lebenszyklusanalyse (LCA) ist das Standardwerkzeug für die Quantifizierung von Umweltauswirkungen. 

Durch die Integration von LCA in die Phasen des DfM können Konstrukteure den Kohlendioxidfußabdruck verschiedener Designiterationen vergleichen, um zum Beispiel der Veränderung des Entwurfs zur Verringerung der Masse oder einer Veränderung des Verfahrens für eine Emissionsminderung bereits vor Produktionsbeginn zu integrieren.

Die DfM-Zeitleiste: Was treibt den Zeitplan an?

Es gibt keine feste Dauer für einen DfM-Prozess; er skaliert mit dem Umfang des Projekts und seinen Iterationen. Dennoch erlaubt es ein Verständnis der Variablen, die die Zeitleiste ausdehnen, den Projektmanagern realistische Puffer zu planen.

Einflussfaktoren auf die Vorlaufzeit

Faktor	Auswirkung auf d. Zeitleiste	Minderungsstrategie
Produkt- komplexität	Hoch – Mehr Funktionen bedeuten mehr Toleranzstapel und potenzielle Fehlermodi, die analysiert werden müssen.	Modularisierung des Entwurfs zur Vereinfachung der Analysen.
Teamkompetenz	Mittel – Mit unerfahrenen Teams können ggf. mehr Iterationszyklen benötigt werden.	Erfahrene Fertigungsingenieure frühzeitig einbinden.
Prüf- anforderungen	Hoch – Die Prüfung physischer Prototypen (Ermüdung, thermisch) kann Tage oder Wochen dauern.	Verwendung von Simulationenen (FEA) um frühe Konzepte vor physischen Tests zu validieren.
Einhaltung von Vorschriften	Hoch – Medizinische oder luft- und raumfahrttechnische Verifizierungen erhöhen die Dokumentationszeit erheblich.	Integration von Compliance-Prüfungen in die DfM-Überprüfung
Lieferkette	Mittel – Die Beschaffung exotischer Materialien kann den Prototypenbau verzögern.	Konstruktion mit Standardmaterial „von der Stange“.

Herausforderungen für das Design for Manufacturing

Wir haben gerade die Vorteile der Implementierung der Design for Manufacturing – Prinzipien dargelegt und im Produktentwicklungszyklus skizziert. 

Während die Logik des DfM unbestreitbar ist, scheitert die Implementierung oft an eher menschlichen und organisatorischen Faktoren als an tatsächlichen technischen Problemen.

Kommunikation

Eine klare und eindeutige Kommunikation zwischen verschiedenen Teams erlaubt es, Verzögerungen im Projekt zu vermeiden. Die Voraussetzung dafür ist es, dass sich auch alle Teammitglieder der Sache verschreiben, sodass sie auch willens sind, sich die Mühe zu machen, klar zu kommunizieren.

Timing

Das Timing der Integration jedes Teams in das DfM sollte optimiert werden. Teams zu spät zu integrieren kann zu Umgestaltungen und zusätzlichen Kosten führen. Sie hingegen zu früh an Bord zu bringen, kann unnötige Verwirrung und ein Übermaß an Meinungen in einer Phase mit sich bringen, in der diese noch gar nicht erforderlich sind.

Beispiel: Das Beschaffungsteam erst nach dem Prototyping an Bord zu holen, kann Probleme aufdecken, die damit zu tun haben, den richtigen Zulieferer zu finden. Das wiederum bedeutet ggf. länger-als-gewollte Vorlaufzeiten, oder alternativ, die Notwendigkeit der Neugestaltung.

Prozesse und Ausrüstung verstehen

Konstrukteure, die über ein tieferes Verständnis der verfügbaren Geräte und Möglichkeiten sowie Einschränkungen von Verfahren und Prozessabläufen verfügen, tragen zum Erfolg des DfM bei. Das Design jedoch auf ein Verfahren festzulegen, nur um dann festzustellen, dass es Grenzen hat, die die optimale Fertigung beeinträchtigen, kann ebenfalls zu Neugestaltungen und Verzögerungen führen.

Die Kompromisse zwischen Leistung und Herstellbarkeit

Die Herstellbarkeit erfordert die Vereinfachung der Konstruktion, was manchmal mit einer verringerten Leistung einhergeht. Die Konstrukteure können die Produktionsprozesse optimieren, um Leistung und Herstellbarkeit zu optimieren. Darüber hinaus wird die Wahl des Verfahrens, der Materialien und der verschiedenen Designaspekte durch die Kosten beeinflusst, und umgekehrt.

• Beispiel für einen Materialkompromiss:
  • Baustahl: Geringe Kosten, exzellente Schweißbarkeit, leicht maschinell zu bearbeiten. (Am besten für die Herstellbarkeit.)
  • Edelstahl: Hohe Korrosionsbeständigkeit, keine Beschichtung erforderlich, schwerer zu bearbeiten und zu schweißen. (Am besten für die Langlebigkeit.)
  • Abwägung: Der Konstrukteur muss sich entscheiden, ob die Extrakosten für die maschinelle Bearbeitung des Edelstahl dadurch zu rechtfertigen sind, dass dieser nicht wie Baustahl lackiert werden muss.

Vorteile Eines Erfolgreichen DfM-Prozesses

Die Einbindung de DfM erfordert einiges an Aufwand, aber der Zugewinn daraus ist vielfältig und findet sich meist in diesen Bereichen:

Ökonomische Effizienz

• Kostenminderung: DfM identifiziert teure Merkmale (wie nicht standardisierte Toleranzen oder komplexe Konturen), bevor der Werkzeugbau beauftragt wird. Dies optimiert die Produktionsprozesse und verringert die Arbeitskosten pro Einheit.
• Abfallreduzierung: Die verbesserte Effizienz der Produktion verringert direkt die Menge der anfallenden Abfälle und den Rohmaterialverbrauch, und erhöht somit direkt die Nachhaltigkeit des Gesamtverfahrens.

Produktintegrität

• Qualitätsverbesserung: Das DfM bewirkt durch eine vereinfachte Geometrie sowie die Priorisierung der Montagelogik, dass das Risiko von Defekten in der Montage sinkt und die Zuverlässigkeit vor Ort erhöht wird.
• Einhaltung gesetzlicher Vorschriften: Die Integration von Sicherheits- und anderweitigen Vorschriften oder Normen in der anfänglichen Entwurfsphase verringert das Risiko von Ablehnungen oder zwangsweisen Neukonstruktionen in einer späteren Phase.

Strategische Vorteile

• Schnellere Markteinführung: Ein effizienter DfM-Prozess minimiert technische Änderungsaufträge (ECOs) während der Produktion. Während die Design- und Konstruktionsphase zwar insgesamt länger dauert, wird die Gesamtzeit von der Schaffung eines Konzepts bis hin zur Auslieferung signifikant verkürzt.
• Innovation und Wettbewerbsfähigkeit: DfM fördert die funktionsübergreifende Zusammenarbeit. Die daraus entstehende vielfältige Perspektive (Konstruktion+Fertigung+Lieferkette) führt oft zu deutlich innovativeren Lösungen, die die Bedürfnisse am Markt effizienter erfüllen können, als die der Mitbewerber.

Profi-Tipp: Die „Zehnerregel“ In einer Produktionsumgebung steigen die Kosten für das Beheben eines Fehlers oder Defekts ungefähr um das Zehnfache mit jedem Prozessschritt. Ein Fehler in der Geometrie kostet zum Beispiel 100€, um ihn in einer CAD-Umgebung zu beheben, der gleiche Fehler im Prototyping kostet dann bereits 1.000€, und 10.000€, wenn ein Werkzeug/eine Form bereits gefertigt wurde. DfM soll Sie in der „100€“-Zone halten.

Das “Fertigungsdenken” Meistern

Die Anwendung der Design-for-Manufacturing-Prinzipien ist der effektivste Weg, um die Produktionskosten zu senken und Zeitpläne einzuhalten. Es verwandelt die Fertigung von einem „Schritt in der Lieferkette“ in eine proaktive und konstruktive Einschränkung der Konstruktionsbemühungen. 

Die Wichtigsten Erkenntnisse:

• Die Feedbackschleife zwischen Konstrukteuren und Fertigungsingenieuren treibt den Prozess voran und minimiert Probeläufe.
• Der Erfolg basiert dabei massiv auf einer Vereinfachung, der Standardisierung von Materialien und Komponenten sowie der Vermeidung zu enger Toleranzen.
• Die Nutzung von Simulationen und des Rapid Prototypings (über 3D-Druck) beschleunigt die Validierung.

Sind Sie bereit, Ihren Entwurf zu validieren? Laden Sie Ihre CAD-Datei bei Xometry  hoch und erhalten Sie innerhalb von Sekunden ein automatisches DfM-Feedback für Ihre Teile.

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