التصميم من أجل سهولة التصنيع

الموسوعة الحرة
أُعيد تصميمها لتسهيل عملية التصنيع

التصميم من أجل سهولة التصنيع ( DFM )، أو ما يُعرف أيضًا بالتصميم من أجل التصنيع ، هو ممارسة هندسية تهدف إلى تصميم منتج لتقليل تكلفة تصنيعه وتسهيل عملية تصنيعه، وغالبًا ما يكون هذان الجانبان مترابطين. تشمل العوامل الشائعة التي تؤثر على سهولة التصنيع نوع المادة الخام وشكلها، والتفاوتات المسموح بها في الأبعاد، والمعالجة الثانوية مثل التشطيب.

عن طريق تكنولوجيا التصنيع

ينطبق مفهوم التصميم للتصنيع (DFM) على نطاق واسع ولكنه يختلف اختلافاً كبيراً تبعاً لتقنية التصنيع.

لوحة الدوائر المطبوعة

في عملية تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، يؤدي مفهوم التصميم للتصنيع (DFM) إلى وضع مجموعة من إرشادات التصميم التي تسعى إلى ضمان سهولة التصنيع. وبذلك، يمكن معالجة مشاكل الإنتاج المحتملة خلال مرحلة التصميم.

من الناحية المثالية، تأخذ إرشادات التصميم للتصنيع في الاعتبار عمليات وقدرات الصناعة التحويلية. ولذلك، فإن التصميم للتصنيع يتطور باستمرار.

مع تطور شركات التصنيع وأتمتة المزيد من مراحل عملياتها، تميل هذه العمليات إلى أن تصبح أقل تكلفة. ويُستخدم عادةً تصميم التصنيع (DFM) لخفض هذه التكاليف. [ 1 ] على سبيل المثال، إذا أمكن تنفيذ عملية ما تلقائيًا بواسطة الآلات (مثل وضع مكونات SMT ولحامها)، فمن المرجح أن تكون هذه العملية أرخص من تنفيذها يدويًا.

دائرة متكاملة

يُعدّ تصميم أشباه الموصلات للتصنيع (DFM) مجموعة من المبادئ والتقنيات المستخدمة في تصميم الدوائر المتكاملة (IC) لضمان انتقال هذه التصاميم بسلاسة إلى مرحلة الإنتاج بكميات كبيرة مع تحقيق أعلى مستويات الإنتاجية والموثوقية. ويركز تصميم أشباه الموصلات للتصنيع على توقع المشكلات المحتملة في عملية التصنيع وتعديل تصميمات الرقائق والدوائر بشكل استباقي للتخفيف من آثارها.

خلفية

مع تطور تكنولوجيا أشباه الموصلات إلى أحجام أصغر، تصبح الترانزستورات والوصلات البينية شديدة الكثافة وحساسة للغاية لأي اختلافات طفيفة في عملية التصنيع. قد تؤدي هذه الاختلافات إلى عيوب تتسبب في تعطل الرقائق أو تدهور أدائها. يهدف تصميم التصنيع للرقائق (DFM) إلى تقليل تأثير هذه الاختلافات، مما يحسن الإنتاجية ويجعل تصنيع الرقائق أكثر فعالية من حيث التكلفة.

المفاهيم الأساسية

قواعد التصميم
تُقدّم مصانع الصب قواعد تصميم تفصيلية تُحدّد الحد الأدنى للأبعاد والمسافات والقيود الهندسية الأخرى التي يجب الالتزام بها لضمان نجاح عملية التصنيع. وتتحقق أدوات التصميم المُدركة لمتطلبات التصنيع (DFM) تلقائيًا من التصاميم وفقًا لهذه القواعد، وتُشير إلى أي انتهاكات محتملة لتصحيحها.
تباين العملية
تُراعي تقنيات التصميم للتصنيع (DFM) التباين المتأصل في عمليات التصنيع مثل الطباعة الحجرية والحفر والترسيب. ومن خلال محاكاة كيفية تأثير هذه الاختلافات على هياكل التصميم المحددة، يستطيع المصممون تعديل التخطيطات لتقليل حساسيتها لهذه الاختلافات.
تحسين الإنتاجية
يهدف تصميم التصنيع (DFM) إلى زيادة الإنتاجية إلى أقصى حد، أي نسبة الرقائق التي تعمل بشكل صحيح من رقاقة السيليكون المصنعة. ويتضمن ذلك تحديد الجوانب الحرجة في التصميم، وإضافة عناصر احتياطية، وتطبيق استراتيجيات تخطيط تُحسّن من احتمالية نجاح عملية التصنيع.
مصداقية
يشمل تصميم التصنيع (DFM) تقنيات لضمان موثوقية الرقائق طوال عمرها الافتراضي المتوقع. ويتضمن ذلك تحليل كيفية تأثير خيارات التصميم على الهجرة الكهربائية، وحقن حاملات الشحنة الساخنة، وآليات الفشل المحتملة الأخرى، والتصميم وفقًا لذلك.

التقنيات

تتضمن بعض تقنيات التصميم للتصنيع الشائعة المستخدمة في تصميم أشباه الموصلات ما يلي:

التكرار
إضافة ترانزستورات أو عناصر دارة إضافية إلى المسارات الحرجة، بحيث إذا تعطل أحد العناصر، يمكن للشريحة أن تظل تعمل.
املأ الأنماط
إضافة أشكال هندسية غير وظيفية إلى المناطق الفارغة من التصميم لتحسين كثافة النمط وتقليل اختلافات التصنيع المحلية.
تصحيح التقارب البصري (OPC)
تعديل أنماط القناع للتعويض عن التشوهات التي تحدث أثناء عملية الطباعة الحجرية.
قواعد التصميم المقيدة (RDR)
مجموعة فرعية من قواعد التصميم أكثر تحفظاً من القواعد القياسية، مما يوفر قابلية تصنيع أعلى.
محاكاة العائد
استخدام النماذج الإحصائية للتنبؤ بكيفية تأثير اختلافات التصميم والعملية على الإنتاجية، مما يسمح بإجراء تعديلات تصميمية مدروسة.

مخطط التصميم

يتم دمج منهجية التصميم للتصنيع (DFM) في جميع مراحل عملية تصميم أشباه الموصلات:

تصميم
يستخدم المصممون أدوات تراعي مفهوم DFM والتي تتحقق تلقائيًا من انتهاكات القواعد ومشاكل قابلية التصنيع المحتملة.
تَحَقّق
تتضمن عمليات التحقق فحوصات شاملة للتصميم من أجل التصنيع لضمان أن التصميم يلبي جميع متطلبات التصنيع.
التنفيذ المادي
خلال هذه المرحلة، يتم تطبيق تقنيات مثل إدخال الحشو و OPC على التصميم لتحسين التصنيع.
تسجيل خروج
يتم إجراء فحص شامل لقواعد التصميم (DRC) والتحقق من التخطيط مقابل المخطط (LVS) لضمان أن التصميم جاهز للتصنيع.

أهمية

يُعدّ التصميم للتصنيع (DFM) أساسيًا لإنتاج أجهزة أشباه الموصلات المتقدمة بنجاح وبتكلفة معقولة. [ 2 ] من خلال معالجة مشكلات قابلية التصنيع بشكل استباقي خلال مرحلة التصميم، يؤدي التصميم للتصنيع إلى ما يلي:

  • إنتاجية أعلى
  • تسريع وقت الوصول إلى السوق
  • تقليل مخاطر إعادة تصميم المنتج
  • انخفاض تكاليف التصنيع

التصنيع باستخدام التحكم الرقمي بالحاسوب

في مجال التصنيع باستخدام التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC)، يتمثل الهدف في تصميم منتجات ذات تكلفة منخفضة. وتعتمد التكلفة بشكل كبير على الوقت، لذا يجب أن يقلل التصميم من الوقت اللازم ليس فقط للتصنيع (إزالة المادة)، بل أيضاً لوقت إعداد ماكينة CNC ، وبرمجة التحكم الرقمي، والتثبيت، والعديد من الأنشطة الأخرى التي تعتمد على مدى تعقيد وحجم القطعة.

وقت إعداد العمليات (قلب القطعة)

ما لم يُستخدم محور رابع أو خامس، لا يمكن لآلة CNC التعامل مع القطعة إلا من اتجاه واحد. يجب معالجة جانب واحد في كل مرة (وتُسمى هذه العملية ) . بعد ذلك، يجب قلب القطعة من جانب إلى آخر لمعالجة جميع التفاصيل. تحدد هندسة التفاصيل ما إذا كان يجب قلب القطعة أم لا. كلما زاد عدد عمليات قلب القطعة، زادت تكلفتها نظرًا للوقت الطويل اللازم للإعداد والتحميل والتفريغ.

لكل عملية (قلب القطعة) وقت إعداد، ووقت تشغيل الآلة، ووقت تحميل/تفريغ الأدوات، ووقت تحميل/تفريغ القطع، ووقت إنشاء برنامج التحكم العددي لكل عملية. إذا كانت القطعة تتطلب عملية واحدة فقط، فلا يلزم تحميلها/تفريغها إلا مرة واحدة. أما إذا كانت تتطلب خمس عمليات، فإن وقت التحميل/التفريغ يصبح كبيرًا.

يكمن الحل الأسهل في تقليل عدد العمليات (مثل قلب القطعة) لتحقيق وفورات كبيرة. على سبيل المثال، قد يستغرق تشكيل سطح قطعة صغيرة دقيقتين فقط، لكن إعداد الآلة للقيام بذلك سيستغرق ساعة. أو، إذا كانت هناك 5 عمليات، مدة كل منها ساعة ونصف، ولكن إجمالي وقت تشغيل الآلة 30 دقيقة فقط، فسيتم احتساب 7.5 ساعات مقابل 30 دقيقة فقط من التشغيل. [ 3 ]

أخيرًا، يلعب حجم الإنتاج (عدد القطع المراد تصنيعها) دورًا حاسمًا في توزيع وقت الإعداد والبرمجة والأنشطة الأخرى ضمن تكلفة القطعة. في المثال السابق، قد تصل تكلفة القطعة عند إنتاج 10 قطع إلى 7-10 أضعاف تكلفتها عند إنتاج 100 قطعة.

عادةً، يظهر قانون تناقص العوائد عند أحجام تتراوح بين 100 و300 وحدة، لأن أوقات الإعداد والأدوات والتجهيزات المخصصة يمكن استهلاكها ضمن هامش الخطأ. [ 4 ]

نوع المادة

تشمل المعادن الأسهل تشكيلاً الألومنيوم والنحاس الأصفر والمعادن اللينة. أما المواد التي تزداد صلابة وكثافة وقوة، مثل الفولاذ والفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم والسبائك النادرة، فتصبح أكثر صعوبة في التشكيل وتستغرق وقتاً أطول، مما يقلل من إمكانية تصنيعها. معظم أنواع البلاستيك سهلة التشكيل، مع أن إضافة الألياف الزجاجية أو ألياف الكربون قد تقلل من سهولة تشكيلها. وقد تواجه أنواع البلاستيك اللينة واللزجة مشاكل خاصة بها في التشكيل.

شكل المادة

تأتي المعادن بأشكالٍ متنوعة. ففي حالة الألومنيوم، على سبيل المثال، تُعدّ القضبان والصفائح أكثر الأشكال شيوعًا في تصنيع الأجزاء المشغّلة. وقد يُحدّد حجم وشكل المكوّن نوع المادة المُستخدمة. ومن الشائع في الرسومات الهندسية تحديد شكلٍ دون آخر. وعادةً ما يكون سعر القضبان حوالي نصف سعر الصفائح لكل رطل. لذا، ورغم أن شكل المادة لا يرتبط مباشرةً بهندسة المكوّن، يُمكن خفض التكلفة في مرحلة التصميم باختيار أقلّ أشكال المادة تكلفةً.

التسامح

يُعدّ مدى دقة تصنيع المكونات أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على تكلفتها. فكلما زادت دقة التصنيع المطلوبة، ارتفعت تكلفة تصنيع المكون. عند التصميم، يُنصح بتحديد أقل هامش خطأ ممكن يُلبي متطلبات وظيفة المكون. ويجب تحديد هوامش الخطأ لكل ميزة على حدة. توجد طرق مبتكرة لتصميم مكونات ذات هوامش خطأ أقل، مع الحفاظ على نفس كفاءة المكونات ذات هوامش الخطأ الأعلى.

التصميم والتشكيل

بما أن عملية التشغيل الآلي هي عملية إزالة، فإن الوقت اللازم لإزالة المادة يُعد عاملاً رئيسياً في تحديد تكلفة التشغيل. ويحدد حجم وشكل المادة المراد إزالتها، بالإضافة إلى سرعة تغذية الأدوات، وقت التشغيل. عند استخدام قواطع التفريز ، تلعب قوة وصلابة الأداة، والتي تتحدد جزئياً بنسبة طولها إلى قطرها، الدور الأكبر في تحديد هذه السرعة. فكلما كانت الأداة أقصر بالنسبة لقطرها، زادت سرعة تغذيتها عبر المادة. وتُعد نسبة 3:1 (طول:قطر) أو أقل هي النسبة المثلى. [ 5 ] إذا تعذر تحقيق هذه النسبة، يمكن استخدام حل مثل الموضح هنا. [ 6 ] بالنسبة للثقوب، تكون نسبة طول الأدوات إلى قطرها أقل أهمية، ولكن يجب أن تبقى أقل من 10:1.

توجد أنواع أخرى كثيرة من الميزات التي تتفاوت تكلفة تصنيعها. عمومًا، تكلفة تصنيع الشطبات أقل من تكلفة تصنيع أنصاف الأقطار على الحواف الأفقية الخارجية. يُستخدم الاستيفاء ثلاثي الأبعاد لإنشاء أنصاف أقطار على الحواف التي لا تقع على نفس المستوى، مما يزيد التكلفة عشرة أضعاف. [ 7 ] أما التجاويف السفلية فهي أغلى تكلفةً في التصنيع. الميزات التي تتطلب أدوات أصغر، بغض النظر عن نسبة الطول إلى القطر، تكون أغلى تكلفةً.

تصميم قابل للتفتيش

ينبغي أن يُكمّل مفهوم التصميم من أجل الفحص (DFI) مفهومي التصميم من أجل سهولة التصنيع (DFM) والتصميم من أجل التجميع (DFA) وأن يعمل بتعاون وثيق معهما لخفض تكلفة تصنيع المنتج وزيادة جدواه العملية. في بعض الحالات، قد يتسبب هذا الأسلوب في تأخيرات زمنية نظرًا لاستهلاكه ساعات عمل إضافية، كما هو الحال عند الحاجة إلى إعداد عروض ومستندات مراجعة التصميم. ولمعالجة هذه المشكلة، يُقترح أن تتبنى المؤسسات، بدلًا من عمليات الفحص الدورية، إطار عمل التمكين، لا سيما في مرحلة تطوير المنتج، حيث تُخوّل الإدارة العليا قائد المشروع تقييم عمليات التصنيع ونتائجها وفقًا لتوقعات أداء المنتج وتكلفته وجودته ومدة تطويره. [ 8 ] ومع ذلك، يُشير الخبراء إلى ضرورة التصميم من أجل الفحص (DFI) لأهميته البالغة في مراقبة الأداء والجودة ، وتحديد عوامل رئيسية مثل موثوقية المنتج وسلامته ودورة حياته. [ 9 ] بالنسبة لشركات مكونات الطيران ، حيث يُعد الفحص إلزاميًا، يُشترط التأكد من ملاءمة عملية التصنيع للفحص. وهنا، يُعتمد آلية مثل مؤشر قابلية الفحص، الذي يُقيّم مقترحات التصميم. [ 10 ] مثال آخر على منهجية التصميم الموجه هو مفهوم العدد التراكمي للمخطط المطابق (مخطط CCC)، والذي يُطبق في تخطيط الفحص والصيانة للأنظمة التي تتوفر فيها أنواع مختلفة من الفحص والصيانة. [ 11 ]

تصميم للتصنيع الإضافي

تُوسّع الطباعة ثلاثية الأبعاد قدرة المصمم على تحسين تصميم المنتج أو الجزء (لتوفير المواد على سبيل المثال). وتختلف التصاميم المُخصصة للطباعة ثلاثية الأبعاد أحيانًا اختلافًا كبيرًا عن التصاميم المُخصصة لعمليات التصنيع بالتشغيل الآلي أو التشكيل.

بالإضافة إلى ذلك، ونظرًا لبعض القيود المتعلقة بحجم آلات التصنيع الإضافي، يتم أحيانًا تقسيم التصاميم الأكبر ذات الصلة إلى أقسام أصغر مع ميزات التجميع الذاتي أو محددات مواقع المثبتات.

من الخصائص الشائعة لأساليب التصنيع بالإضافة، مثل نمذجة الترسيب المنصهر ، الحاجة إلى هياكل دعم مؤقتة للأجزاء المتدلية. وتؤدي إزالة هذه الهياكل المؤقتة بعد المعالجة إلى زيادة التكلفة الإجمالية للتصنيع. يمكن تصميم الأجزاء للتصنيع بالإضافة عن طريق إلغاء أو تقليل الحاجة إلى هياكل الدعم المؤقتة. ويمكن تحقيق ذلك بتقييد زاوية الهياكل المتدلية بحيث لا تتجاوز الحد المسموح به لآلة التصنيع بالإضافة والمادة والعملية المستخدمة (على سبيل المثال، أقل من 70 درجة من الوضع الرأسي).

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ دولسيماسكولو، دارين. "يساعد التصميم للتصنيع (DFM) المصنّعين على خفض التكاليف مع الحفاظ على القيمة" . مصنع موثوق .
  2. ↑ أوسو-بوهين، كوامي؛ هان، كارل؛ هسوه، تشينغ؛ كيم، تشولوو؛ فيجاياكومار، أرون؛ ديفندر، فنو؛ مورو، ديفيد (2021). "الكشف عن الحفر الزائد في معالجة أشباه الموصلات باستخدام شعاع الإلكترون، وكيفية ارتباط مستوى الحفر الزائد بمعايير الكشف عن العيوب". في: عدنان، عوفر؛ روبنسون، جون سي. (محرران). القياس والتفتيش والتحكم في العمليات لتصنيع أشباه الموصلات XXXV . ص 18. doi : 10.1117/12.2584652 . ISBN  978-1-5106-4055-9.
  3. ↑ "كيفية تصميم أجزاء مصنعة رخيصة ولماذا؟ - التصنيع البارامتري" . 3 سبتمبر 2016.
  4. ↑ "دليل تصنيع النماذج الأولية والإنتاج باستخدام آلات CNC - التصنيع البارامتري" . أغسطس 2016.
  5. ↑ "الطحن: قواعد التصميم" .
  6. ↑ "دليل التصميم" (ملف PDF) . برو سي إن سي . تم الاطلاع عليه في 30 يناير 2017 .
  7. ↑ "السبب الرئيسي لانخفاض سعر القطع المصنعة باستخدام آلات CNC - التصنيع البارامتري - ورشة آلات CNC + القطع الكهربائي السلكي" . 17 يوليو 2016.
  8. ↑ أندرسون، ديفيد (2004). التصميم من أجل سهولة التصنيع والهندسة المتزامنة: كيفية التصميم بتكلفة منخفضة، والتصميم بجودة عالية، والتصميم من أجل التصنيع الرشيق، والتصميم بسرعة من أجل إنتاج سريع . كامبريا، كاليفورنيا: مطبعة CIM. ص 28. ISBN  978-1878072238.
  9. ↑ غوبتا، برافين (2006). بطاقة أداء الأعمال في منهجية ستة سيجما، الفصل 3 - الحاجة إلى بطاقة أداء الأعمال في منهجية ستة سيجما . نيويورك: ماكجرو هيل بروفيشنال. ص 4. ISBN  9780071735117.
  10. ↑ ستولت، رولاند؛ إلغ، فريدريك؛ أندرسون، بيتر (2017). "التصميم من أجل الفحص - تقييم إمكانية فحص مكونات الفضاء الجوي في المراحل المبكرة من التصميم" . بروسيديا للتصنيع . 11 : 1193-1199 . doi : 10.1016/j.promfg.2017.07.244 .
  11. ↑ تشان، لينغ-ياو؛ وو، شاومين (أكتوبر 2009). "التصميم الأمثل لسياسة الفحص والصيانة بناءً على مخطط CCC". الحوسبة والهندسة الصناعية . 57 (3): 667-676 . doi : 10.1016/j.cie.2008.12.009 . hdl : 1826/4041 .

مصادر

  • Mentor Graphics - DFM: ما هو وماذا سيفعل؟ (يجب ملء نموذج الطلب).
  • Mentor Graphics - DFM: الحل السحري أم الضجة التسويقية (يجب ملء نموذج الطلب).
  • دليل أتمتة التصميم الإلكتروني للدوائر المتكاملة ، من تأليف لافاجنو ومارتن وشيفر، رقم ISBN 0-8493-3096-3دراسة استقصائية لمجال تصميم الدوائر الإلكترونية. تم استخلاص الملخص أعلاه، بإذن، من المجلد الثاني، الفصل 19، التصميم من أجل قابلية التصنيع في عصر النانومتر ، من تأليف نيكولا دراغون، وكارلو غواردياني، وأندريه ج. ستروجواس.
  • التصميم من أجل سهولة التصنيع والتصميم الإحصائي: منهج بنائي ، بقلم مايكل أورشانسكي، وساني نصيف، ودوان بونينج، رقم ISBN 0-387-30928-4
  • تقدير مساحة الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات باستخدام SEER-IC/H ، بقلم روبرت سيسنيروس، شركة تيكولوت للأبحاث (2008). العرض التقديمي الكامل مؤرشف بتاريخ 20 فبراير 2012 على موقع Wayback Machine.