Un errore comune e fatale commesso dai team di ingegneria hardware inesperti consiste nel concentrarsi unicamente sul far funzionare un prototipo sul banco di laboratorio. Progettano un PCB brillante e altamente complesso, stipato in un bellissimo involucro personalizzato. Tuttavia, quando inviano i file CAD a un Contract Manufacturer (CM) per produrre 10.000 unità, la fabbrica risponde che il prodotto è impossibile da realizzare oppure costerà il 400% in più rispetto al prezzo obiettivo.
Ciò accade perché il prodotto non è stato progettato tenendo conto dei principi del DFM (Design for Manufacturing) e del DFA (Design for Assembly).
Design for Manufacturing (DFM)
Il DFM si concentra rigorosamente sulla fabbricazione fisica delle singole parti, più comunemente il Printed Circuit Board (PCB) nudo e l’involucro meccanico (ad es. materie plastiche stampate a iniezione o alluminio lavorato a CNC).
L’obiettivo del DFM è progettare parti che i macchinari della fabbrica possano produrre con rese elevate (pochi difetti) e un intervento umano minimo.
Esempi di DFM su un PCB:
- Larghezze e distanze delle piste: Garantire che le piste in rame non siano così sottili o ravvicinate da indurre il processo di incisione chimica della fabbrica a cortocircuitarle o interromperle accidentalmente.
- Via-in-Pad: Evitare di collocare fori praticati (via) direttamente all’interno delle piazzole di saldatura dei componenti, salvo casi di assoluta necessità, poiché durante il processo nel forno di reflow ciò richiama via la saldatura, causando connessioni elettriche deboli.
- Panelizzazione: Progettare la forma del PCB in modo che più schede possano essere disposte in modo efficiente su un unico pannello di produzione standard con il minimo spreco di vetroresina, riducendo il costo per scheda.
Esempi di DFM negli involucri meccanici (stampaggio a iniezione):
- Angoli di sformo: Aggiungere una leggera rastremazione a tutte le pareti verticali di una parte in plastica affinché si estragga facilmente dallo stampo in acciaio senza incastrarsi o graffiarsi.
- Spessore uniforme delle pareti: Garantire che lo spessore della plastica sia costante in tutta la parte per prevenire risucchi o deformazioni man mano che la plastica fusa si raffredda e si ritira.
Design for Assembly (DFA)
Mentre il DFM si concentra sulla realizzazione delle parti, il DFA si concentra sulla facilità con cui tali parti vengono assemblate dagli operai di fabbrica o dai bracci robotici sulla linea di montaggio. Ogni secondo che un operaio impiega per orientare una parte, avvitarla o applicare colla ha un costo.
La regola d’oro del DFA è la riduzione e semplificazione delle parti.
Esempi di DFA:
- Incastri a scatto al posto delle viti: Sostituire 8 minuscole viti metalliche (che richiedono all’operaio di maneggiare 8 parti separate, allineare un cacciavite e impiegare 15 secondi) con incastri a scatto in plastica progettati appositamente, che consentono di assemblare l’involucro con uno scatto in 1 secondo.
- Poka-Yoke (a prova di errore): Progettare connettori o parti strutturali in modo asimmetrico, così che sia fisicamente impossibile per l’operaio inserirli al contrario o capovolti durante un estenuante turno di 8 ore.
- Assemblaggio dall’alto verso il basso: Progettare il prodotto in modo che tutti i componenti scendano nel telaio direttamente dall’alto (l’asse Z). Ciò evita che l’operaio debba ripetutamente capovolgere il prodotto pesante per installare le parti sul fondo.
La curva dei costi delle modifiche di progetto
La filosofia di fondo del DFM/DFA è la “regola del 10”. Modificare un difetto di progetto su uno schermo CAD costa 10 $. Modificarlo dopo la prototipazione costa 100 $. Modificarlo dopo che la fabbrica ha realizzato gli stampi a iniezione in acciaio da 20.000 $ costa 10.000 $. Scoprirlo quando il 10% dei prodotti si guasta sulla linea di montaggio costa 100.000 $.
Riferimenti ufficiali
- IPC-A-610 — Acceptability of Electronic Assemblies — IPC (standard di settore per la qualità dell’assemblaggio dei PCB)