Design for Manufacturing Reif für die Fertigung

Beispiel Netzadapter

Als Beispiel diene ein Netzadapter, wobei Bild 3 (links) die Ausgangslage beschreibt. Nutzt man stattdessen ein wesentlich kleineres und universelles USB-Steckernetzteil (Bild 3, rechts) liegt das Kosteneinsparpotenzial bei 45 % bis 60 %. Multipliziert man eine Einsparung beim Serienpreis von angenommen nur einem Euro mit der jährlich produzierten Stückzahl von beispielsweise 15.000, ergibt sich eine Einsparung von 15.000 Euro pro Jahr. Real liegt diese noch deutlich höher, da sich das neue Konzept auch auf weitere Teile im Gesamtgerät auswirken kann, was hier noch nicht betrachtet wurde.

Ein weiteres Beispiel: Statt den einfachen Weg zu gehen, ein fertiges Embedded-Modul einzusetzen, kann man dieses auch in Einzelkomponenten auflösen, und dadurch nur die Funktionen realisieren, die tatsächlich für die Applikation benötigt werden. Dies ist zwar aufwendiger, macht sich aber über die eingesparten Kosten sehr schnell bezahlt.

Schaltplandesign und Bauteilmanagement

Im nächsten Schritt wird das Konzept in einen Schaltplan umgesetzt. Dabei werden Techniken wie Design for Logistik/Quality/Test/Manufacturability (DfL, DfQ, DfT,DfM) eingesetzt.

Parallel dazu startet die »Materialisierung« des Prototyps. Dazu geben die Entwickler die im vorigen Schritt erarbeitete Liste von Schlüsselkomponenten an die Einkäufer weiter. Jene können dann in diesem frühen Stadium schon Lieferzeiten, Kosten und Lebenszyklus-Status (Risk-buy) abfragen. Den Einkauf rechtzeitig einzubinden minimiert das Risiko für längere Beschaffungszeitläufe und beschleunigt die Markteinführung. Auch das Alternativteile-Management ist zu diesem Zeitpunkt zu berücksichtigen.

Schaltplanlayout

Im nächsten Schritt wird aus dem Schaltplan ein Platinenlayout. Ziel dabei ist es, Schaltplanentwicklung und Platinenlayout so früh wie möglich zu parallelisieren, wobei unbedingt die Fertigung einbezogen werden sollte. Fertigungsgesichtspunkte (DfM) wie Lötbarkeit (Reflow, Selektiv, Welle), Testbarkeit (DfT), Lackierbarkeit oder Montageoptimierungen berücksichtigt man im Layout. Daneben wählt man den Fertigungsprozess aus. Sie bestimmen letztendlich die Fertigungskosten und tragen zur Wirtschaftlichkeit des Produktes bei.

Entsprechend dem Entwicklungsfortschritt des Produktes entwickelt man parallel dazu Fertigungswerkzeuge (Concurrent Engineering), beispielsweise Schablonen oder Lötrahmen.

Beispiel Coating: Um die Lackierung zu optimieren, sollte man die Anforderungen dieses Prozesses bereits bei der Erstellung des Layouts berücksichtigen. Daher kennzeichnen die Entwickler die Bereiche, in denen die Lackierung zwingend erforderlich, in denen sie nicht erwünscht, aber zulässig ist, und in Bereiche, in denen keine Lackierung zulässig ist. Die Abstände der einzelnen Bauteile sind entsprechend einzuplanen. Größen, Beschaffenheit und Positionierung der Bauteile, Durchkontaktierungen, Packungsdichte und Nutzenanordnung beeinflussen die Verarbeitung beim Lackieren und sind daher idealerweise beim Design der Baugruppen zu berücksichtigen. Ein weiteres Beispiel, wie sich die Herstellkosten für ein System aus der Leistungselektronik senken lassen, zeigt Bild 4.

Prototyp

Es folgt der Bau des ersten Prototyps – stets ein spannender Moment. In engem Kontakt mit der Fertigung werden die Vorgaben umgesetzt. Bei der First-Article-Inspection (FAI) bewertet die Fertigung den Prototyp auf seine Tauglichkeit hinsichtlich der Serienfertigung und gibt der Entwicklung Rückmeldung. Die Design-Verification ist also erneut eine Review-Schleife, an der neben Fertigung und Entwicklung auch der Einkauf beteiligt ist. So können EEMS-Dienstleister (Electronic Engineering and Manufacturing Services) die zeitnahe Produktion in Serienfertigung vorab organisieren. 

Beispiel: Durch kurze Rüstzeiten und Concurrent Engineering kann BMK beispielsweise Prototypen auf den Serienlinien bauen. Dadurch erhält der Kunde direkt eine Aussage bezüglich der Serientauglichkeit des Prototyps. Ein nahtloser Übergang vom Prototyp in die Serienfertigung ist damit gegeben und spart Zeit.

Test und Qualität 

Im nächsten Entwicklungsabschnitt werden die Tests, die die Baugruppe durchlaufen sollen, mittels DfT definiert. BMK bietet seinen Kunden verschiedene Standard- sowie individuell entwickelte Testsysteme an. Hat man sich zum Beispiel für einen In-Circuit-Test entschieden, startet bei BMK die Testentwicklung (Adapter und Software).

Zusätzlich werden gesetzliche und kundenspezifische Qualifizierungsmaßnahmen umgesetzt. Muss die Baugruppe CE-, UL- oder VDE-geprüft sein? Gilt es, Safety-Standards oder vom Kunden vorgegebene elektrische, thermische und mechanische Qualifikationen zu erfüllen? Funktionsumfang, Software-Validierung und Lebenszyklusbetrachtungen sind weitere Aspekte aus dem Qualifizierungsbereich, die zu verifizieren sind.

Fertigung 

Der Entwicklungsprozess mündet in die Fertigung. Das heißt aber nicht, dass die Entwickler nun nicht mehr gefragt sind. Aufgrund neu hinzukommender Kunden- beziehungsweise Marktanforderungen oder Prüfungen auf alternative Komponenten wird das Design auch später aktualisiert und angepasst. Der Entwickler begleitet das Produkt über seinen gesamten Lebenszyklus. 

Stolperfallen und Fazit

Stolperfallen entstehen, wenn Terminpläne nicht realistisch aufgesetzt sind. Dadurch mag es dazu kommen, dass Reviews nicht richtig bewertet oder übergangen werden. Beispielsweise sind Material oder Bauteile nicht rechtzeitig verfügbar, müssen zu teuer eingekauft werden oder sind von schlechter Qualität. Die Folgen sind unnötig hohe Produktionskosten und eine zeitliche Verzögerung der Serieneinführung. Die Kosten die entstehen, wenn ein Produkt nicht rechtzeitig auf den Markt gebracht wird, werden oft gar nicht erfasst. Anders ausgedrückt: In der frühen Markteinführung steckt großes wirtschaftliches Potenzial. Welchen Wettbewerbsvorteil kann ein Unternehmen erzielen, wenn es sein Produkt vor der Konkurrenz auf den Markt bringt?

In der Praxis kann es der Fall sein, dass Kunden zu einem späten Zeitpunkt Anforderungen im Funktionsumfang ändern wollen, die dann zur Folge haben, dass das Design neu durchdacht werden muss. Gelegentlich ist es auch eine andere Abteilung, wie zum Beispiel das Marketing oder die Geschäftsführung, die die Corporate-Identity im Hinblick auf Form oder Farbe berücksichtigt haben will (Gehäuse). Diese Stolperstellen können wertvolle Zeit kosten. Es kann sich aber auch das Einsatzgebiet des Produktes ändern.

Ein für die Industrie gefertigte Baugruppe soll nun beispielsweise in der Medizintechnik zum Einsatz kommen. Hier gilt es Änderungen der Normenlandschaft zu beachten.

Die späteren Produktkosten werden zu 70 % bis 80 % in der Entwicklung festgelegt. Kleinste Details können enorme Folgekosten nach sich ziehen. Deshalb ist es einerseits wichtig, das Produktkonzept unter Einbeziehung des Kunden gründlich zu überdenken: Sind alle Funktionen essenziell? Was braucht der Kunde wirklich? Ist das Design wirtschaftlich durchdacht?

Alle beteiligten Bereiche bei BMK (Einkauf, Entwicklung, Fertigung), die abschnittsweisen Reviews und die Parallelisierung von Prozessen früh einzubinden sind eine wichtige Voraussetzung, um Kosten aber auch Zeit zu sparen.