Diseño para la Fabricación: Principios, Objetivos y Usos

Como diseñadores de productos y fabricantes, ambos buscamos siempre formas de acelerar el proceso de fabricación y hacerlo más fácil y económico. Aquí es donde entra el DfM.

El Diseño para la Fabricación (DFM) es uno de los aspectos más críticos del desarrollo de productos. Es el importante nexo de unión entre el diseño conceptual y la fabricación, y puede tener un impacto enorme en el rendimiento y el costo de un producto.

Este artículo aborda una pregunta común: ¿Qué es el DFM? Para ofrecer una respuesta completa, profundizaremos en los principios del diseño para la fabricación y en el análisis DFM. Además, destacaremos algunas competencias esenciales que debe tener para ser un experto en DFM y esperamos aportar consejos para implementarlas en su ciclo de desarrollo de productos.

¿Qué es el DFM (Diseño para la Fabricación)?

El diseño para la fabricación, o DFM como se abrevia comúnmente, es un concepto central de la ingeniería que abarca todas las actividades enfocadas en convertir una idea en un producto práctico y funcional. Pasar de un prototipo a la producción requiere análisis de ingeniería, gestión financiera y un profundo conocimiento del mercado.

Analizaremos sus diversos aspectos más adelante, pero la definición básica es exactamente la anterior.

En la mayoría de los casos, el desarrollo de productos comienza con una idea vaga sin limitaciones prácticas. Puede resultar imposible de fabricar por varias razones, como costos elevados, complejidad del diseño, falta de disponibilidad de materiales, etc. El análisis DFM examina el desarrollo del producto desde estos ángulos y aporta credibilidad a las ideas de los diseñadores de productos y a las inversiones de los inversores.

Objetivos clave del DFM

El diseño para la manufacturabilidad es una metodología de amplio alcance que se ramifica en múltiples áreas del ciclo de vida del desarrollo de productos. Por lo tanto, es importante comprender sus principales metas para proporcionar a los ingenieros de DFM un marco claro dentro del cual trabajar.

Esta sección explora los objetivos clave del análisis DFM desde una perspectiva empresarial.

Costo

Como en cualquier proyecto, la primera y principal preocupación es su impacto financiero. El propósito central del diseño para la fabricación es minimizar tanto como sea posible el costo de producción de un diseño. Esto incluye costos como materias primas, fabricación, energía y mano de obra.

El DFM garantiza la viabilidad financiera del proceso de desarrollo de productos y asegura un retorno de la inversión saludable.

Calidad

Otro objetivo del diseño para la fabricación es maximizar la calidad del producto. Esto se hace, por supuesto, dentro de los límites de restricciones como el presupuesto, las opciones de materiales y los mercados objetivo.

Los productos de alta calidad resultan más atractivos para los consumidores, construyen la imagen de marca y, en general, conducen a un mejor desempeño del producto en el mercado. En consecuencia, esto también abre nuevas vías para la expansión del mercado y el crecimiento de la empresa.

Sostenibilidad

La minimización de residuos se encuentra entre las principales prioridades de los ingenieros de DFM. Un elemento central del análisis DFM es identificar todas las áreas de desperdicio y optimizar el proceso para eliminar tanto como sea posible.

Este objetivo se establece para garantizar que la producción esté alineada con los objetivos modernos de sostenibilidad derivados de las preocupaciones ambientales y del consumo excesivo de recursos limitados. Además, es otra manera de minimizar costos.

Principios del Diseño para la Fabricación

Ahora que tenemos una visión general de alto nivel del diseño para la fabricación, entremos en los detalles minuciosos desde un punto de vista de ingeniería.

Con los objetivos clave de reducción de costos, mejora de la calidad y reducción sostenible de residuos en mente, los ingenieros buscan mejorar las siguientes cinco áreas de un proceso de fabricación durante el análisis DFM.

Proceso

El proceso incluye todas las operaciones físicas de fabricación. Existe una multitud de procesos de fabricación que las empresas utilizan, como el mecanizado CNC, el moldeo por inyección, la impresión 3D, el mecanizado por descarga eléctrica, etc. La lista puede continuar…

El trabajo de los expertos en diseño para la manufacturabilidad es encontrar formas de optimizar estos procesos. En primer lugar, observan el diseño y comprueban si los ingenieros de diseño han hecho la selección de proceso correcta.

Por ejemplo, una carcasa de electrónica puede fabricarse mediante múltiples técnicas que incluyen el mecanizado, el moldeo por inyección y la impresión 3D. Los expertos en DFM sopesan las ventajas y desventajas de cada proceso a la luz del diseño y sugieren el más viable a los equipos de diseño y producción.

Además, existen múltiples parámetros de proceso dentro de cada técnica de fabricación. Por ejemplo, el mecanizado CNC tiene parámetros como la velocidad de corte, el avance y la profundidad de corte que pueden ajustarse a una configuración óptima para lograr alta productividad y calidad. El análisis DFM busca encontrar una estrategia de mecanizado adecuada.

Diseño

La optimización del diseño se encuentra entre los principales principios del diseño para la fabricación. Debido a la naturaleza libre del diseño de productos durante la fase de desarrollo de ideas, siempre hay algunos aspectos desatendidos de los diseños desde una perspectiva de manufacturabilidad que deben abordarse antes de que el diseño pueda pasar a producción.

Durante el análisis DFM, los ingenieros identifican todos estos problemas y proponen soluciones para ellos. En la mayoría de los casos, se limita a pequeños ajustes en el diseño aquí y allá. Por ejemplo, en el DFM para mecanizado CNC, las sugerencias pueden incluir agregar redondeos a las esquinas internas afiladas (véase la figura a continuación) para acomodar el radio de la herramienta de corte.

En casos raros, se pueden sugerir cambios importantes de diseño al equipo de ingeniería de diseño, lo que requiere entonces un trabajo colaborativo entre ambos equipos para encontrar la mejor solución. Esto puede ocurrir cuando los equipos de DFM utilizan métodos como la optimización topológica para sugerir la reducción de peso o un cambio en la técnica de fabricación preferida.

El diseño de ingeniería es un proceso iterativo y se espera que experimente cierto ir y venir entre diseño y producción.

Materiales

Otra área que explora el diseño para la fabricación son los materiales. Existe una enorme variedad de materiales disponibles para fabricar productos, lo que crea una fuerte oportunidad para optimizar la selección de materiales.

Volvamos a nuestro ejemplo de la carcasa. Las carcasas pueden fabricarse de metal, plásticos, polímeros e incluso compuestos. Sin embargo, solo uno de estos es la opción más adecuada. El análisis DFM compara cada material con los requisitos funcionales del producto y sugiere el mejor.

Por ejemplo, si la carcasa está destinada a electrónica de bajo costo, bastará con una simple carcasa de plástico. Elegir un metal costoso y difícil de fabricar sería una sobreingeniería. De manera similar, si está destinada a proteger un artículo costoso y de alta calidad contra cargas de impacto, los compuestos podrían ser la opción elegida.

Además, la selección de materiales es mucho más que la funcionalidad de la pieza por sí sola. Los ingenieros de DFM también deben considerar la disponibilidad y los costos de los materiales. Adicionalmente, algunos materiales tienen un impacto ambiental negativo y pueden contribuir a violaciones de los objetivos de huella de carbono.

Entorno

El entorno de funcionamiento del producto desempeña un papel importante en el proceso DFM. El entorno se compone de características como cargas mecánicas (estáticas y dinámicas), temperatura, humedad, exposición química e interferencia eléctrica/magnética.

El diseño conceptual puede no ser siempre capaz de soportar tales condiciones ambientales. Por lo tanto, los ingenieros de DFM aplican los principios del diseño para la fabricación para resolver dichos problemas.

Las soluciones pueden incluir cambios dimensionales como un espesor de pared adicional para acomodar cargas mecánicas. Pueden sugerir un material diferente debido a su mejor estabilidad térmica. En otros casos, puede añadirse un recubrimiento superficial específico al proceso de fabricación para proteger la pieza contra la exposición química.

Cumplimiento/Ensayo

La mayoría de los productos están sujetos a ciertas restricciones y normas regulatorias. Estas normas pueden ser industriales, internas o incluso gubernamentales. Los ingenieros de diseño para la manufacturabilidad garantizan que el diseño de la pieza y el proceso de fabricación cumplan con dichas normas.

¿Cómo pretende el Diseño para la Fabricación alcanzar sus objetivos?

De la discusión anterior queda claro que el diseño para la fabricación es un enfoque muy orientado a objetivos y abarca múltiples metas. Lograr todas ellas, equilibrándolas al mismo tiempo frente a las limitaciones del proyecto, es un problema complejo.

Las siguientes son algunas de las formas prácticas en que los expertos en DFM buscan alcanzar sus objetivos.

Minimizar el Número de Piezas

El número de componentes en un ensamblaje mecánico puede minimizarse para lograr simplicidad, reducción de costos y menos residuos. Si bien esto no siempre es posible, el análisis DFM siempre se centra en identificar y eliminar piezas redundantes mediante un análisis cuidadoso.

Usar Piezas Estandarizadas

El diseño para la manufacturabilidad también se centra en utilizar tantas piezas estandarizadas como sea posible. Los componentes estandarizados pueden ser sujetadores (tuercas, pernos), dispositivos de sellado (juntas tóricas, empaquetaduras) y mecanismos de movimiento (husillos), cada uno de los cuales está fácilmente disponible directamente en el mercado.

Esto reduce la carga de trabajo de producción, concentra el esfuerzo de fabricación en las piezas no estandarizadas y reduce costos.

Diseño Modular

El uso de diseños modulares es otra técnica ampliamente adoptada por los ingenieros de DFM. Un diseño modular significa que el ensamblaje del producto se divide en diferentes subconjuntos (módulos) que pueden modificarse fácilmente sin afectar el diseño de otros módulos.

Este enfoque hace que las actualizaciones del producto durante la fase de desarrollo del prototipo sean muy fáciles de lograr. Además, pone todo el proceso de diseño en un marco más sistemático donde los ingenieros de diseño pueden identificar con precisión los módulos exactos en los que trabajar sin preocuparse por la funcionalidad global.

Facilidad de Ensamblaje

Finalmente, un objetivo crucial en el diseño para la manufacturabilidad es hacer que el ensamblaje del producto sea lo más fácil y rápido posible. El diseño debe verse desde la perspectiva del montaje/desmontaje, y los ingenieros de DFM se aseguran de que el esfuerzo dedicado a estas actividades sea mínimo para ahorrar tiempo y dinero.

¿Qué se necesita para convertirse en un experto en DFM?

Este artículo analiza diversos aspectos del diseño para la fabricación y pone mucho énfasis en el papel de los expertos en análisis DFM para alcanzar sus objetivos.

Esta sección presenta brevemente a nuestros lectores algunas de las competencias esenciales que pueden aprender para ser profesionales del DFM.

Simulación y Modelado Avanzados

El software de simulación y modelado CAD se utiliza ampliamente en el análisis DFM. Permite a los ingenieros determinar si el diseño es capaz de soportar sus condiciones ambientales y son fundamentales para modificar el diseño según los requisitos de fabricación.

Diseño Colaborativo

El diseño para la fabricación es un esfuerzo colaborativo entre diseñadores, desarrolladores de productos y especialistas en fabricación. Las empresas modernas promueven este trabajo en equipo mediante actividades de diseño colaborativo presenciales y en línea, que incluyen aprender el uso de herramientas como tecnologías basadas en la nube y pizarras.

Diseño para la Fabricación vs. Diseño para el Ensamblaje

El diseño para la fabricación frente al diseño para el ensamblaje es una distinción importante que deben hacer los ingenieros que trabajan en este campo. Aunque las diferencias son sutiles, conviene conocerlas, ya que estas dos técnicas divergen bastante cuando se observan los detalles.

Echemos un breve vistazo a algunas de las principales diferencias entre ellas.

Piezas vs Ensamblajes: Como su nombre indica, el análisis de diseño para el ensamblaje se ocupa de los diversos componentes de un ensamblaje mecánico, mientras que el diseño para la fabricación se centra específicamente en una sola pieza.

Diseño vs Ensamblaje: El análisis DFM está más orientado hacia la optimización del diseño y la selección de materiales. Por otro lado, el diseño para el ensamblaje pone más esfuerzo en agilizar el proceso de montaje adoptando técnicas de ensamblaje eficientes.

Usos y Ejemplos de DFM para Diferentes Procesos de Fabricación

Existen numerosos ejemplos de diseño para la fabricación en entornos industriales que pueden ayudarnos a desarrollar una mejor comprensión de cómo funciona en un entorno práctico. Esta sección repasará algunos de ellos para intentar darle una idea del diseño para la manufacturabilidad en la práctica.

1. Mecanizado CNC

El mecanizado CNC es una de las técnicas de fabricación más comunes para el análisis DFM. Existen diversas oportunidades para alcanzar los objetivos del diseño para la fabricación. Las principales son las siguientes:

• Esquinas Internas Afiladas: Los diseñadores cometen este error común al diseñar características internas de ranuras/cavidades. Las esquinas internas deben redondearse para acomodar la geometría de las herramientas de corte, que es redonda.
• Espesor de Pared: Algunas paredes/pisos suelen ser demasiado delgadas para soportar las cargas de corte. Esto puede provocar la rotura de la pieza durante el mecanizado. Por ello, los ingenieros de DFM sugieren paredes/pisos más gruesos cuando reciben tales geometrías.
• Profundidad de Cavidad: El cavitado es una verdadera prueba para la rigidez de la herramienta. A medida que una cavidad se hace más profunda, la herramienta de corte vibra con más fuerza, lo que provoca un mal acabado superficial y fallo de la herramienta. Así, el análisis DFM a menudo conduce a alteraciones en la geometría de las cavidades muy profundas.
• Tolerancias: Es común ver que las tolerancias de diseño se modifican durante el DFM. Dado que las tolerancias son costosas de mantener, los profesionales del DFM a menudo aflojan las tolerancias no críticas para ahorrar tiempo y dinero.

2. Impresión 3D

La impresión 3D es otra área que requiere la atención de los ingenieros de DFM antes de que los diseños pasen a producción.

• Soportes: Ciertas características en voladizo en los diseños de impresión 3D son demasiado débiles y tienden a caerse debido a la gravedad durante el proceso de impresión. Una solución DFM común a este problema es usar andamios de soporte debajo de tales características. Posteriormente, el operador retira estos andamios.
• Espesor de Pared: Este problema es similar al de las paredes delgadas en el mecanizado CNC. Las paredes muy delgadas a menudo no se pueden imprimir, ya que son demasiado frágiles y se rompen durante la impresión. Por ello, el diseño para la fabricación sugiere paredes más gruesas en algunos diseños.

3. Moldeo por Inyección

Finalmente, analicemos las aplicaciones del diseño para la fabricación en el contexto del moldeo por inyección.

• Contrasalidas: Muchos diseños de moldeo por inyección tienen características de contrasalida. A veces, no es factible producirlas ya que obstaculizan el movimiento de la herramienta, o existen alternativas más económicas para lograr geometrías similares. Los profesionales del DFM son responsables de señalar esto y proponer soluciones viables.
• Ángulos de Desmoldeo: La expulsión del molde es una parte importante del proceso de moldeo por inyección. Debe ser suave y rápida, y no debe dañar la pieza ni el molde. Para maximizar su eficiencia, los ingenieros a menudo agregan un pequeño ángulo de desmoldeo al diseño durante el análisis DFM para facilitar una expulsión sencilla.

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El DFM hará que todas las partes interesadas involucradas en el desarrollo del producto se reúnan y resuelvan problemas directamente relacionados con el diseño del producto, sus procesos y el proceso de fabricación. Esto garantiza una transición fluida del producto desde el diseño hasta el ensamblaje, y hasta el nivel de producción en masa.

El Diseño para la Fabricación es un proceso que le ayuda a obtener los mejores resultados. En Sendot Technology, somos expertos en mecanizado CNC, fundición al vacío e impresión 3D. Para cada proyecto, realizamos una revisión DFM para garantizar que sus prototipos y piezas se produzcan de la mejor manera y de la forma más rentable. ¡Contáctenos hoy!

Conclusión

Esto concluye nuestra discusión sobre el diseño para la fabricación. Es un análisis de ingeniería muy amplio con una variedad de objetivos clave, herramientas y aplicaciones. En la era del prototipado rápido, se ha convertido en una herramienta esencial para evaluar la manufacturabilidad de los diseños de productos.

Preguntas Frecuentes

¿Quién es responsable del DFM?

En una empresa de fabricación, los ingenieros de DFM son responsables de los análisis DFM. Trabajan con los equipos de diseño y producción para cerrar la brecha entre el diseño conceptual y la fabricación.

¿Cuánto tiempo lleva el DFM?

Un proyecto de DFM puede tardar un promedio de 1 a 5 días en completarse. Puede ser más o menos dependiendo de la complejidad del diseño y del análisis DFM.

¿Cuándo debe implementarse el DFM en el proceso de desarrollo del producto?

El DFM debe implementarse en paralelo con el proceso de diseño. Debe realizarse un análisis preliminar una vez que el diseño conceptual toma cierta forma para evaluar su viabilidad básica. Luego, a medida que avanzan las iteraciones del diseño, el equipo de DFM debe aportar su contribución, hasta que realice un estudio DFM final y exhaustivo sobre el diseño finalizado antes de que pase a producción.