Ein häufiger und fataler Fehler unerfahrener Hardwareentwicklungsteams besteht darin, sich ausschließlich darauf zu konzentrieren, einen Prototyp auf dem Labortisch zum Laufen zu bringen. Sie entwerfen eine brillante, hochkomplexe Leiterplatte, die dicht in ein formschönes, kundenspezifisches Gehäuse gepackt ist. Wenn sie jedoch die CAD-Dateien an einen Vertragshersteller (CM) senden, um 10.000 Einheiten zu fertigen, antwortet das Werk, dass das Produkt entweder unmöglich herzustellen ist oder 400 % mehr als der Zielpreis kosten wird.
Dies geschieht, weil das Produkt nicht unter Berücksichtigung der Prinzipien von DFM (Design for Manufacturing) und DFA (Design for Assembly) entwickelt wurde.
Design for Manufacturing (DFM)
DFM konzentriert sich ausschließlich auf die physische Herstellung der Einzelteile, am häufigsten der unbestückten Leiterplatte (PCB) und des mechanischen Gehäuses (z. B. spritzgegossene Kunststoffe oder CNC-gefrästes Aluminium).
Das Ziel von DFM ist es, Teile so zu gestalten, dass die Maschinen des Herstellers sie mit hoher Ausbeute (wenigen Defekten) und minimalem menschlichen Eingriff produzieren können.
Beispiele für DFM auf einer Leiterplatte:
- Leiterbahnbreiten und -abstände: Sicherstellen, dass die Kupferleiterbahnen nicht so dünn oder eng beieinander liegen, dass sie beim chemischen Ätzprozess des Herstellers versehentlich kurzgeschlossen oder unterbrochen werden.
- Via-in-Pad: Vermeiden der Platzierung von Bohrlöchern (Vias) direkt in den Lötpads von Bauteilen, es sei denn, dies ist absolut notwendig, da dies während des Reflow-Lötprozesses Lot abzieht und zu schwachen elektrischen Verbindungen führt.
- Nutzenaufbau (Panelization): Gestaltung der Leiterplattenform so, dass mehrere Platinen effizient auf einem einzigen Standard-Fertigungsnutzen mit minimalem Glasfaserabfall angeordnet werden können, was die Kosten pro Platine senkt.
Beispiele für DFM bei mechanischen Gehäusen (Spritzguss):
- Entformungsschrägen: Hinzufügen einer leichten Konizität zu allen vertikalen Wänden eines Kunststoffteils, damit es leicht aus der Stahlform gleitet, ohne stecken zu bleiben oder zerkratzt zu werden.
- Einheitliche Wandstärke: Sicherstellen, dass die Kunststoffdicke im gesamten Teil gleichmäßig ist, um Einfallstellen oder Verzug zu vermeiden, wenn der geschmolzene Kunststoff abkühlt und schrumpft.
Design for Assembly (DFA)
Während sich DFM auf die Herstellung der Teile konzentriert, befasst sich DFA damit, wie einfach diese Teile von Fabrikarbeitern oder Roboterarmen am Fließband zusammengefügt werden können. Jede Sekunde, die ein Arbeiter damit verbringt, ein Teil auszurichten, es festzuschrauben oder Klebstoff aufzutragen, kostet Geld.
Die goldene Regel von DFA lautet Teilereduzierung und Vereinfachung.
Beispiele für DFA:
- Schnappverbindungen statt Schrauben: Ersetzen von 8 winzigen Metallschrauben (was erfordert, dass ein Arbeiter 8 lose Teile handhabt, einen Schraubendreher ausrichtet und 15 Sekunden aufwendet) durch konstruierte Kunststoffschnappverbindungen, mit denen das Gehäuse in 1 Sekunde zusammengeklickt werden kann.
- Poka Yoke (Fehlersicherungsprinzip): Gestaltung von Steckverbindern oder Strukturteilen in asymmetrischer Form, sodass es für den Fabrikarbeiter während einer anstrengenden 8-Stunden-Schicht physisch unmöglich ist, sie verkehrt herum oder auf dem Kopf stehend einzusetzen.
- Top-Down-Montage: Gestaltung des Produkts so, dass alle Komponenten von direkt oben (der Z-Achse) in das Chassis eingesetzt werden. Dies verhindert, dass der Arbeiter das schwere Produkt wiederholt umdrehen muss, um Teile an der Unterseite zu installieren.
Die Kostenkurve von Designänderungen
Die Kernphilosophie hinter DFM/DFA ist die „10er-Regel“. Die Behebung eines Designfehlers auf einem CAD-Bildschirm kostet 10 €. Die Behebung nach dem Prototyping kostet 100 €. Die Behebung, nachdem das Werk die 20.000 € teuren Stahlspritzgussformen gefertigt hat, kostet 10.000 €. Die Entdeckung, wenn 10 % der Produkte am Fließband ausfallen, kostet 100.000 €.
Offizielle Referenzen
- IPC-A-610 – Acceptability of Electronic Assemblies – IPC (Industriestandard für die Qualität der Leiterplattenbestückung)