Projeto para Manufatura (DFM): Um Guia Abrangente | JS Precision

O Design para Manufatura é fundamental para resolver esse tipo de problema: quando você passa semanas projetando um suporte aeroespacial, apenas para descobrir que é impossível usiná-lo em uma máquina CNC devido a raios de canto internos insuficientes, ou quando os custos de usinagem ultrapassam o orçamento em 40%, e assim por diante.

Os projetos mais engenhosos na manufatura de precisão não são aqueles que ganham prêmios em softwares CAD, mas sim aqueles que podem ser transformados em produtos de alta qualidade com o menor custo e a maior rapidez. Estatísticas mostram que mais de 60% dos custos de um produto são definidos durante a fase de projeto.

Este guia abordará os principais princípios e práticas do Design para Manufatura (DFM), mostrando como a JS Precision auxilia seus clientes a atingirem os três objetivos de otimização de custos, melhoria da qualidade e redução dos prazos de entrega em serviços de usinagem CNC por meio da colaboração precoce no DFM.

Resumo das respostas principais

Princípio fundamental de DFM da JS Precision: Baseado em experiência prática, ajudando seus projetos a serem bem-sucedidos na primeira tentativa.

Nos últimos 15 anos, a JS Precision tem se dedicado intensamente à usinagem CNC, oferecendo serviços de Design para Manufatura a mais de 2.000 clientes em setores como aeroespacial, dispositivos médicos e autopeças.

Por exemplo, otimizamos o projeto de um suporte de liga de alumínio para uma empresa aeroespacial, e a solução de otimização topológica atendeu às diretrizes de projeto simplificadas para dimensões e tolerâncias geométricas (GD&T) da norma ASME Y14.5-2018 da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME), reduzindo o tempo de usinagem de 4,5 horas para 2,2 horas, ajudando o cliente a reduzir custos em 42%.

Também resolvemos o problema da usinagem de furos não padronizados para um cliente da área de dispositivos médicos, reduzindo as trocas de ferramentas e melhorando a eficiência da produção em 30% através da padronização das dimensões dos furos.

Também realizamos, de forma independente, mais de 100 projetos complexos na fabricação de peças personalizadas, como o desenvolvimento de peças estruturais integradas para novos clientes do setor de energia, visando evitar erros de montagem entre múltiplos componentes. Esses exemplos práticos nos ensinaram uma lição importante: o DFM (Design for Manufacturing) é indispensável para alcançar os objetivos do seu projeto.

Este guia é um resumo sistemático de nossos anos de experiência em serviços. Cada princípio e sugestão nele contidos foi verificado em projetos reais. Você pode confiar plenamente nele para orientar suas práticas de Design para Manufaturabilidade e ajudar seus projetos de Usinagem CNC a serem implementados com sucesso.

Deseja mais estudos de caso de DFM da JS Precision? Informe o seu setor de atuação e enviaremos estudos de caso de sucesso de Design para Manufaturabilidade (DFM) do mesmo setor para ajudá-lo a entender intuitivamente o valor do DFM.

O Framework DFM: Quais são os passos e princípios fundamentais na usinagem CNC?

O primeiro passo para uma manufatura bem-sucedida é estabelecer uma estrutura de projeto sistemática e orientada à manufatura. Na usinagem CNC, essa estrutura DFM (Design for Manufacturing) ajudará a mitigar riscos desde os estágios iniciais do projeto. Abaixo, detalhamos seus principais passos e princípios.

Envolvimento precoce: incorporando o conhecimento de manufatura à fase de projeto.

A inclusão de especialistas em manufatura durante a fase de projeto conceitual é a principal proposta de valor do Design para Manufatura.

Nesse ponto, os engenheiros da JS Precision intervêm para ajudar a determinar se o projeto atende aos requisitos do processo de usinagem CNC , caso a relação de aspecto da peça exceda a capacidade de usinagem da ferramenta, evitando assim grandes modificações em etapas posteriores.

Cinco princípios fundamentais: Simplificação, Padronização, Modularização, Acessibilidade e Conformidade.

1. Simplificar a geometria: tente eliminar saliências ou ranhuras complexas desnecessárias, o que pode reduzir o tempo e a dificuldade de programação, como transformar uma superfície irregular em uma regular.

2. Padronização das dimensões de furos/raios: Padronizar vários furos não padronizados em dimensões padrão da indústria , por exemplo, reduzir 6 tipos de furos para 2, diminuindo assim as trocas de ferramentas.

3. Projeto em Componentes Modulares: Divida peças complexas em módulos usináveis ​​individualmente , como dividir uma estrutura integrada em uma tampa superior e uma base para simplificar a usinagem e a montagem.

4. Acessibilidade da ferramenta: Previsão de espaço adequado durante o projeto para as ferramentas, a fim de evitar áreas de usinagem inacessíveis para a ferramenta, como garantir raios suficientes para cantos de cavidades profundas.

5. Atender às capacidades de fabricação: O projeto deve corresponder ao nível real de usinagem CNC, de forma a não exigir fresagem comum para atingir a precisão de retificação, evitando assim requisitos irrealistas ou excessivamente dispendiosos.

Colaboração Iterativa: Um Ciclo Fechado do Feedback de DFM à Otimização do Projeto

A JS Precision fornece aos clientes sugestões claras e práticas para aprimoramento do Design para Manufaturabilidade por meio de relatórios estruturados. Listamos os problemas, os planos de melhoria e os resultados esperados nesses relatórios, e ajustamos o plano com base no feedback do cliente, formando assim um ciclo fechado de otimização.

Figura 1: Padronização de rosqueamento. Permite aos fabricantes otimizar seus processos, garantindo que seus requisitos funcionais sejam atendidos.

A mentalidade da Engenharia de Custos: como o DFM influencia diretamente o custo total do seu produto?

Enfatizar a mentalidade de "como projetar um produto para a manufatura" em cada decisão é fundamental para o controle de custos. A maioria dos clientes costuma estar interessada apenas na funcionalidade na fase de projeto e não considera os custos de fabricação. O DFM (Design for Manufacturing) pode ajudar a reduzir os custos totais desde o início.

Seleção e Utilização de Materiais: Transformação Inteligente da Peça Bruta em Produto

Ao otimizar o contorno e o layout das peças e selecionar peças brutas de tamanho padrão, é possível aumentar a utilização do material de 50% para mais de 80%.

Como exemplo, ajudamos um cliente a aumentar o número de peças processadas a partir de blanks de 100 mm x 100 mm de 2 para 4, reduzindo assim os custos de material em até 50% , e recomendamos o uso de blanks padrão de liga de alumínio para evitar taxas de personalização.

Tempo de usinagem: cada minuto custa dinheiro.

Ao reduzir as trocas de ferramentas, otimizar os percursos das ferramentas e evitar processos desnecessáriosA usinagem de 5 eixos pode reduzir diretamente os custos de máquinas-ferramenta para serviços de usinagem CNC.

Um cliente, por exemplo, conseguiu reduzir as trocas de ferramentas de 8 para 3 e o tempo de usinagem de 3 horas para 1,8 horas, padronizando as dimensões dos furos, economizando US$ 96 por peça a US$ 80 por hora.

Custos de pós-processamento e montagem: despesas ocultas que podem passar despercebidas

O design pode reduzir o tempo necessário para o polimento, simplificar as etapas de montagem e eliminar requisitos especiais de embalagem, controlando assim o custo de fabricação de peças personalizadas numa perspectiva holística.

Por exemplo, ajustar a rugosidade superficial de superfícies não acopladas de Ra0,8μm para Ra1,6μm reduz o tempo de polimento em 30%, e projetar dispositivos de encaixe em vez de parafusos facilita a montagem e reduz o custo da mão de obra.

Como o design do seu produto pode reduzir custos? Basta informar à JS Precision o tipo de material e os requisitos de volume de produção, e nós podemos elaborar um plano personalizado de otimização de custos para o design do produto, reduzindo despesas ocultas.

Quais são os limites de projeto não negociáveis ​​em serviços de usinagem CNC?

Compreender e respeitar as limitações físicas dos serviços de usinagem CNC é fundamental para o sucesso do projeto.

Essas limitações, como as restrições geométricas das ferramentas de corte e o desempenho dinâmico das máquinas-ferramenta, são claramente definidas e delimitadas na Especificação de Materiais Aeroespaciais (AMS) e nas diretrizes de usinagem relacionadas, publicadas pela SAE International.

Muitos desenhos de projeto são teoricamente corretos, mas não podem ser usinados devido a limitações que excedem as dos serviços de usinagem CNC. Abaixo, listamos as principais limitações.

Restrições rígidas na geometria da ferramenta: raio mínimo, profundidade e ângulo.

Diferentes ferramentas possuem limitações claramente definidas em suas capacidades de usinagem. Abaixo estão dados de referência comuns resumidos pela JS Precision:

Limitações físicas das máquinas-ferramenta: deslocamento, interferência e fixação.

As diferentes especificações dos equipamentos de usinagem CNC apresentam certas limitações quanto ao escopo da usinagem, ao círculo de interferência do fuso e ao espaço ocupado pela fixação.

Por exemplo, o curso máximo do nosso centro de usinagem vertical é de 1200 mm × 800 mm × 600 mm, e o diâmetro do círculo de interferência do fuso é de 200 mm. O projeto deve evitar essas limitações, ao mesmo tempo que reserva espaço para a fixação.

Riscos de deformação em paredes finas e estruturas pequenas.

Para paredes finas de liga de alumínio, recomenda-se uma espessura ≥ 1 mm; paredes com 0,8 mm ou menos necessitam de reforço; para braços esbeltos, recomenda-se uma relação de aspecto ≤ 5:1, pois valores superiores a esse causarão deformação e exigirão suporte.

Preocupado com o fato de seu projeto exceder as limitações dos serviços de usinagem CNC? Basta enviar seus desenhos de peças para a JS Precision, onde nossos engenheiros fornecerão um diagnóstico gratuito, permitindo que você evite problemas como deformação de paredes finas e garantindo a conformidade com os requisitos dos serviços de usinagem personalizados .

Figura 2: Raio mínimo. Raios maiores permitem o uso de ferramentas de corte maiores e mais rígidas, que resistem à deflexão e proporcionam acabamentos superficiais superiores.

Como o DFM (Design for Manufacturing) para usinagem CNC de alto volume difere da prototipagem?

A lógica de otimização de projeto para usinagem CNC de alto volume é completamente diferente daquela para protótipos de peça única. Enquanto a usinagem CNC de alto volume considera fatores como eficiência, estabilidade e custo, a abordagem para prototipagem envolve uma validação funcional rápida. Vejamos as principais diferenças a seguir.

Vida útil e estabilidade da ferramenta tornam-se considerações primordiais.

A vida útil da ferramenta pode ser prolongada evitando trajetórias abruptas e equilibrando a carga no instrumento de corte. Isso impacta o custo total de um lote de usinagem CNC de alto volume . Por exemplo, a otimização das trajetórias da ferramenta para um cliente resultou em um aumento da vida útil de 500 para 1200 peças — uma economia de US$ 1750 para um lote de 10.000 peças a US$ 150 por ferramenta.

Design para Automação: Fixação e Posicionamento Simplificados

O projeto de referências de posicionamento unificadas e geometria de fácil compreensão para robôs, visando viabilizar linhas de produção automatizadas.

Por exemplo, projetar dois furos de posicionamento padrão para uma peça permite que um robô seja posicionado e fixado rapidamente. O tempo de fixação pode ser reduzido de 3 minutos para 30 segundos nesse caso. Projetar uma superfície de preensão plana evita deslizamentos e melhora a estabilidade.

Análise de Tolerância Estatística: Garantindo a Intercambialidade em Meio à Variação

Utilize métodos estatísticos para analisar as cadeias de tolerância, relaxando as tolerâncias adequadamente com o objetivo de garantir a funcionalidade da montagem para melhorar o rendimento e a eficiência da produção.

Por exemplo, um lote de peças cuja tolerância original era de ±0,01 mm com um rendimento de 85% poderia ser relaxado para ±0,015 mm, atingindo um rendimento de 99%, reduzindo os custos de sucata.

Como projetar um produto para fabricação: erros comuns a evitar

Conhecer as armadilhas é a melhor maneira de evitá-las. Durante o processo de "como projetar um produto para fabricação", muitos clientes aumentam os custos ou causam falhas na usinagem por negligenciarem os detalhes. Abaixo, listamos os erros mais comuns.

Excesso de engenharia: quando a "perfeição" se torna inimiga do custo.

Marcamos as superfícies que não se acoplam com rugosidade espelhada e especificamos tolerâncias em nível micrométrico para dimensões não críticas.

Por exemplo, um cliente indicou uma rugosidade superficial de Ra0,4 μm em uma superfície inferior que não correspondia à peça de acoplamento, o que exigiu um processo de retificação adicional, gerando um custo extra de US$ 30. A tolerância de marcação de ±0,005 mm adicionou uma hora extra de usinagem e um custo extra de US$ 80.

Ignorar a orientação da peça bruta: levando a usinagem desnecessária em 5 eixos.

Exemplo clássico: A inclinação original da peça, solicitada pelo cliente, exigia usinagem de 5 eixos (US$ 150 por peça). Recomendamos a reorientação para usinagem de 3 eixos a US$ 80 por peça, economizando US$ 70 por peça e reduzindo significativamente os custos totais.

"Desenhos corretos, fabricação incorreta" - Omissões na rotulagem

É importante indicar claramente informações como ângulos de saída, dimensões críticas e direção da textura. Por exemplo, peças plásticas para um cliente não tinham os ângulos de saída indicados, resultando em 100 peças descartadas e um prejuízo de US$ 2.000. Além disso, houve desperdício de tempo e dinheiro, pois as marcações da direção da textura também estavam ausentes e exigiram reusinagem.

Quer evitar as armadilhas comuns de custo no projeto? Solicite a lista de verificação de erros "Como projetar um produto para fabricação" da JS Precision para revisar seu projeto e reduzir custos de processamento desnecessários.

A corda bamba da tolerância: como especificar tolerâncias para a fabricação de peças personalizadas?

Na fabricação de peças personalizadas, as tolerâncias são o ponto de equilíbrio entre desempenho e custo. Tolerâncias excessivamente apertadas aumentam o custo, enquanto tolerâncias excessivamente folgadas comprometem a funcionalidade. Abaixo, ensinamos como especificar as tolerâncias adequadamente.

Estratégia de Tolerância Baseada em Funções: Crítica vs. Não Crítica

Marque elementos críticos, como interfaces de montagem e áreas de acoplamento cinemático, com tolerâncias mais rigorosas, enquanto aplica tolerâncias mais econômicas e flexíveis para áreas não funcionais. Por exemplo, marque furos de acoplamento com uma tolerância de ±0,01 mm e marcações laterais com ±0,1 mm, equilibrando funcionalidade e custo.

Entendendo as capacidades do processo: que nível seu fornecedor pode alcançar?

A JS Precision possui capacidades de tolerância padrão para diferentes processos, como fresagem e torneamento CNC , ajudando os clientes a estabelecer metas desafiadoras e realistas. Abaixo, apresentamos nossa referência para capacidades de tolerância de processo comuns:

Aplicação eficiente de tolerâncias geométricas

Tolerâncias geométricas, como tolerâncias posicionais e de perfil, são usadas para controlar de forma mais eficaz a funcionalidade da peça, sendo isso frequentemente mais econômico e preciso do que especificar múltiplas tolerâncias lineares.

Por exemplo, a tolerância de posição de φ0,02 mm especificada para um furo é mais precisa do que especificar tolerâncias lineares X/Y e também será mais fácil de medir, reduzindo o tempo de inspeção.

Figura 3: O gráfico mostra a queda no rendimento e o aumento no custo à medida que a tolerância aumenta.

Mudança de paradigma: como o design para manufatura aditiva redefine as regras?

O design para manufatura aditiva representa uma verdadeira mudança de paradigma: das "restrições de fabricação" para a "libertação funcional". O design para manufatura aditiva supera as limitações geométricas da usinagem CNC tradicional, possibilitando projetos mais complexos.

Da Subtração à Aditividade: Abraçando a Liberdade Geométrica

A DFAM permite a criação de projetos que são impossíveis ou muito caros de se obter com os serviços tradicionais de usinagem CNC, incluindo treliças ocas, canais de fluxo internos complexos e estruturas integradas.

Por exemplo, as máquinas CNC tradicionais não conseguiam fabricar canais de fluxo internos complexos, enquanto a manufatura aditiva pode fornecer tais recursos com uma redução de peso de mais de 30%, e as estruturas de treliça ocas economizam 40% de material.

Estruturas de suporte: considerações de projeto exclusivas em DFAM

As estruturas de suporte podem ser minimizadas durante a fase de projeto ou, alternativamente, projetadas em superfícies não críticas, reduzindo o tempo de pós-processamento e o desperdício. Por exemplo, se a inclinação na superfície de projeto for ≥45°, reduza os suportes; se forem necessários, coloque-os em superfícies que não se acoplam para evitar danos às superfícies críticas.

Manufatura Convergente - Quando DFM encontra DFAM

Tendência inovadora: Projetar interfaces de alta precisão para usinagem CNC e estruturas leves e complexas para impressão 3D de um produto.Por exemplo, a impressão 3D de uma estrutura aeroespacial reduz o peso, enquanto a usinagem CNC de precisão da interface proporciona precisão a um custo 25% menor do que a usinagem CNC pura.

Quer experimentar o design para manufatura aditiva e desbloquear seu potencial criativo? Ligue hoje mesmo para a central de atendimento da JS Precision e nossa equipe poderá ajudá-lo a projetar estruturas, como treliças ocas, e combiná-las com usinagem CNC para obter a máxima eficiência.

Estudo de Caso: Redução de Custos de 42% — Fabricação em Massa de Suportes Aeroespaciais por meio de DFM (Design for Manufacturing)

Desafios iniciais de projeto

Um suporte de montagem em liga de alumínio de grau aeroespacial , originalmente projetado para ser muito

O processo "robusto" utilizou uma estrutura de bloco sólido que resultou em considerável desperdício de material. Além disso, incluiu 8 tipos de furos não padronizados e 14 tolerâncias excessivamente apertadas — por exemplo, ±0,005 mm — o que aumentou o tempo de usinagem para até 4,5 horas.

Com um custo tão elevado, chegando a US$ 200 por peça, não atende aos requisitos de produção em massa de usinagem CNC de alto volume. O orçamento do cliente, de 1000 peças por mês, simplesmente não cobre o custo.

Análise detalhada da DFM pela JS Precision:

1. Otimização Topológica e Redução de Peso: Utilizando software CAE, a simulação da tensão na estrutura de suporte identificou três áreas de baixa tensão. O excesso de material foi removido com precisão, e a peça passou de um bloco sólido para uma estrutura nervurada altamente eficiente, mantendo a resistência necessária para atender aos requisitos aeroespaciais.

2. Padronização de Características: Os oito furos não padronizados foram padronizados em três tamanhos padrão: φ5mm, φ8mm e φ10mm. Essa etapa reduz as trocas de ferramentas e a complexidade da usinagem. Da mesma forma, cinco raios de canto internos diferentes na peça foram padronizados em 0,2mm para corresponder às ferramentas de corte padrão.

3. Racionalização de Tolerâncias: 14 tolerâncias rigorosas foram revisadas e, de acordo com a capacidade de fabricação de peças personalizadas , 9 delas foram relaxadas de ±0,005 mm para ±0,02 mm. Os testes mostraram que as tolerâncias relaxadas não afetaram a montagem e a funcionalidade das peças.

Resultados finais bem-sucedidos

As peças otimizadas ficaram 35% mais leves (500g → 325g), economizando US$ 20 em custos de material por peça; o tempo de processamento foi reduzido para 2,2 horas, economizando US$ 26,4 em custos de mão de obra; o custo total diminuiu de US$ 200 para US$ 116, uma redução de 42% ; e as peças passaram nos testes de resistência aeroespacial. Para o cliente que produz 1.000 peças por mês, isso resultou em uma economia de US$ 84.000.

Figura 4: Suporte de alumínio usinado com precisão CNC para a indústria aeroespacial

Perguntas frequentes

P1: Em que ponto do processo de projeto o DFM deve ser iniciado?

Quanto mais cedo, melhor. Idealmente, o pensamento DFM (Design for Manufacturing) deve ser introduzido na fase de projeto conceitual de um produto, pois os custos de alteração de projeto são menores nessa fase, evitando problemas nas fases subsequentes de usinagem CNC. Isso se baseia na experiência da JS Precision.

P2: A análise DFM é gratuita?

Sim, oferecemos relatórios de análise DFM profissionais e gratuitos para todos os projetos de serviços de usinagem personalizados. Este é o nosso serviço padrão para fornecer sugestões específicas de melhoria.

Q3: Quais são as sugestões mais comuns para o DFM?

Aumentar os raios dos cantos internos para tamanhos de ferramentas padrão, padronizar os tamanhos dos furos, evitar cavidades excessivamente profundas e flexibilizar as tolerâncias não críticas. Essas sugestões podem resolver 80% dos problemas de fabricação e são muito práticas.

Q4: O DFM melhora os prazos de entrega para a fabricação de peças personalizadas?

Significativamente . Como o DFM elimina os desafios de fabricação e otimiza os caminhos do processo, o tempo de programação e usinagem pode ser reduzido diretamente. Ajudamos nossos clientes a reduzir os prazos de entrega em até 30%.

Q5: Peças complexas com vários processos (por exemplo, usinagem + impressão 3D ), como você realiza o DFM?

Nossos engenheiros estão familiarizados com diversos processos e podem avaliar os prós e os contras de várias estratégias de fabricação para oferecer a melhor solução de fabricação híbrida DFM , levando em consideração tanto a eficácia quanto o custo.

Q6: Vocês podem fornecer uma análise DFM para toda a nossa linha de montagem?

Sim, oferecemos análise DFM em nível de componente para otimizar a interface entre as peças e simplificar o processo geral de montagem, ajudando você a reduzir o tempo de montagem e os custos de mão de obra.

Q7: Como o DFM ajuda a reduzir o custo da usinagem CNC de alto volume?

As vantagens dos projetos otimizados são ampliadas na produção em massa. Com tempos de ciclo mais curtos e maior vida útil das ferramentas, são necessárias menos alterações, o que gera uma grande economia na produção em larga escala.

P8: Como posso saber se as alterações propostas para o DFM são eficazes?

Quantificaremos as estimativas de economia de custos e redução do tempo de ciclo para cada uma das alterações no relatório DFM usando estudos de caso, como a redução de custos de 42% em suportes aeroespaciais .

Resumo

O Design para Manufatura não é uma teoria complexa, mas sim uma ferramenta prática comprovada por diversos projetos de usinagem CNC da JS Precision. Conhecê-lo significa não apenas acertar no projeto desde o início, mas também otimizar custos, eficiência e qualidade , garantindo que cada peça personalizada seja funcional e econômica. Esse é o valor que este guia se propõe a oferecer.

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Guia Prático para Controle de Tolerância

Guia completo para usinagem CNC de 5 eixos

Estudo de caso de impressão 3D e fabricação híbrida CNC

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