Design for Manufacturing

Der Schlüssel für diese ideale Lösung ist eine Produktentwicklung, die auf die optimale Herstellbarkeit ausgerichtet ist (DTM: Design to Manufacturing). Um einen effizienten DTM-Prozess zu unterstützen, müssen sowohl Design als auch Fertigung für die notwendige Software, Prozesse und Infrastruktur sorgen. Der Prozess muss diese vier wichtigen Aspekte abdecken.

Herausforderungen für DTM

1. Die operativen Herausforderungen, denen Elektronikentwickler und Hersteller gegenüber stehen. Entscheidend ist, wie sie trotz dieser Herausforderungen ihre individuellen Geschäftsziele erreichen. Für die Hersteller sind die Ziele oft maximale Nutzung von Ressourcen, Minimierung von Fehlerkosten und das Erfüllen der Kundenerwartungen. Auf der Designseite liegt der Schwerpunkt auf kürzeren Produktentwicklungszyklen, niedrigeren Produktkosten und der Auslieferung herausragender Produkte.

2. Es geht um die Fähigkeit, Probleme zu lösen, die im Zusammenhang mit den operativen Herausforderungen in Bereichen wie Innovation, Organisation, Infrastruktur, Konfiguration der Linien und Produktmix aufkommen.

3. Die Vollständigkeit der Lösung bededutet, dass sie die notwendige Flexibilität bieten muss, um viele verschiedene Bedürfnisse zu befriedigen. Gleichzeitig muss diese Lösung über umfangreiche Funktionalität verfügen, um speziellen Herausforderungen einer jeden Design- oder Herstellerorganisation zu bewältigen.

4. Wichtig dabei sind messbare Ergebnisse zur Lösung der Aufgaben, denen Designer und Hersteller gegenüberstehen (Feedback).

Fertigungsgerechte Produktentwicklung – DTM

Der DTM-Prozess beginnt, indem man den Entwicklungsprozess untersucht und sich Gedanken über die Fertigung macht. Herstell- und montagegerechte Produktentwicklung (DFM: Design for Manufacturability) muss am Anfang eines Designs (Schaltplaneingabe) stehen und sich durch den gesamten Designprozess fortsetzen. Der allererste Schritt besteht darin, eine Bibliothek mit geprüften Bauteilen zu erstellen, die sowohl Schaltungssymbole als auch Bauteilgeometrien beinhaltet. Dies bildet die Grundlage für einen qualitativ hochwertigen Schaltungsentwurf und ein physikalisches Design.

Während der Schaltplaneingabe erfordert DFM die Kommunikation mit der Einkaufs- und Fertigungsabteilung des Herstellers. Sobald der Schalplan erstellt und die Bauteile ausgewählt sind, erstellt das Designsystem eine Stückliste (BOM: Bill of Material) und leitet diese an den Einkauf und die Fertigung weiter. Um sicherzustellen, dass die verwendeten Bauteile auch in den erforderlichen Stückzahlen und zu den geplanten Kosten produziert werden können, analysiert der Einkauf nun die BOM. Falls dies nicht der Fall ist, wendet sich der Einkauf wieder an die Designer und schlägt ihnen eine Auswahl an Ersatzbauteilen vor. Auf diese Weise kann die Fertigung kann sicher sein, dass die gewählten Bauteile in der Produktionslinie effizient bestückt und getestet werden können.

Der nächste Punkt beim DFM ist es, dafür zu sorgen, dass das Layout tatsächlich gefertigt, bestückt und getestet werden kann. In dieser Phase muss der Leiterplattenentwickler dieselbe Software und dieselben Regeln während der gesamten Dauer des Designprozesses nutzen. Darüber hinaus stellt eine wechselseitige Kommunikation sicher, dass die ausgewählten Komponenten so angeordnet sind, dass die Bestückungsmaschine sie optimal auf der Leiterplatte platzieren kann. Diese Vorgehensweise verhindert nicht nur, dass Hersteller oder Bestücker Designdaten zurücksenden, sondern gewährleistet auch, dass der Designprozess immer vorwärts gerichtet ist und keine Redesigns zur Fehlerbehebung erforderlich sind.

Für diese Aufgabe gibt es Software. Mit der Software kann der Leiterplattenentwickler die Designdaten in einem neutralen Format, mit hervorgehobenen Änderungen an die verschiedenen Gruppen in der Lieferkette kommunizieren. Die Gruppen können dann die vorgeschlagenen Änderungen anzeigen, rot markieren, oder mit Kommentaren versehen und diese dann zurück an die Designer kommunizieren. Dies alles erfolgt elektronisch und in Echtzeit.

New Product Introduction – NPI

Hat man die Fertigung von Beginn des Designprozesses an berücksichtigt, ist ein großer Schritt zur Beschleunigung der NPI (New Product Introduction) Prozesses und dem Setup für die Prozessoptimierung erreicht. Komplettlösungen wie sie Mentor Graphics und seine Valor-Division anbieten, decken ein viel breiteres Spektrum an NPI-Aktivitäten ab, als die sich bereits am Markt befindlichen Lösungen. Sie bieten so wichtige Funktionen wie Designvalidierung (Design for Manufacturing – DFM, Design for Assembly – DFA und Design for Test – DFT), Datenaufbereitung, Entwicklung von Bauteilformen, eine genehmigte Liste von Anbietern (Approved Vendor List – AVL) und Materialmanagement sowie die Prozessweiterentwicklung.

Da diese Lösungen diese wichtigen Abläufe zur Durchführung einer NPI anbieten, sind sie wesentlicher Bestandteil für das Prozess-Engineering. Design-for-Fabrication, Bestückung und Test verhindern, dass der Hersteller umfangreiche Änderungen an den Designdaten durchführen oder diese an den Designer zum Respin zurücksenden muss.

Bild 2 zeigt die tatsächlichen NPI-Verbesserungen, die von einem realen Anwender mit Hilfe der Mentor-Graphics-Lösungen realisiert wurden. Dieser Anwender verfügte über einen stabilen, ausgereiften NPI-Prozess, sah aber erhebliche Effizienzsteigerungen durch den Einsatz der neuen Lösungen.

Optimierte Prozessleistung und Planung

Die nächste wichtige Phase in einem Produktlebenszyklus ist die Produkteinführung, das heißt, der Beginn der Serienfertigung eines Produkts. Eine Simulationssoftware kann die Konfiguration neuer Bestückungslinien hinsichtlich kostengünstiger Fertigung, hohem Bauteilmix oder hohen Stückzahlen oder beidem unterstützen. Viele Hersteller nutzen sie zur Simulation verschiedener Linienkonfigurationen mit unterschiedlichen Produktionsvolumen und bzw. oder Produkt-Mixes.

Das Ergebnis ist eine präzise „Was wäre wenn?“-Simulation, mit der Prozessingenieure verschiedene Maschinentypen, Feeder-Kapazitäten und Linienkonfigurationen ausprobieren können, um den besten Maschinen-Mix wie auch das beste Layout für ihre Anforderungen zu ermitteln. Mit Hilfe von Linienkonfigurations-Werkzeugen, Line-Balancing- und Zykluszeit-Simulatoren können die Ingenieure verschiedene Maschinenplattformen testen, ehe sie sich für die beste Linienkonfiguration für ein zu bestückendes Produkt oder eine Produktfamilie entscheiden. Sobald die Linie eingerichtet ist, speichert die Software für zukünftige design- oder prozessspezifische Bestückungsvorgänge ein internes Modell einer jeden Linie.

Bild 3 zeigt, wie der Prozessingenieur mit diesem Werkzeug Definitionen der Fertigungsanlagen und -linien erstellt, die die Portierbarkeit eines Produkts über mehrere Fertigungslinien und Einrichtungen erlauben. Gleichzeitig gestattet die Software eine schnelle und einfache Optimierung, die Programmierung der Platzierung, Inspektion und des Testequipments.

Durch die Transparenz der Produkt-Designdaten, kann das Erstellen optimierter, maschinenfertiger Programme für jede der Linienkonfigurationen der Fertigung, einschließlich gemischter Plattformen, ein hoch rationalisierter Prozess sein. Ein wichtiger Schlüssel und Vorteil bei der Realisierung liegt in den geprüften, aus der Bauteilbibliothek importierten präzisen Bauteilgeometrien.

Der Prozess gestattet den schnellen Start neuer Produkte, da fehlende Maschinenbibliotheksdaten kein Problem mehr darstellen. Die automatische Generierung von Bauteildaten ermöglicht zudem den schnellen Wechsel von einer Linie auf eine andere. Die dadurch erzeugte Fertigungsflexibilität hilft Kosten durch verbesserte Ressourcennutzung und termingerechte Lieferung zu reduzieren.

Bestückungslinie steuern

Das Einrichten und Überwachen der laufenden Bestückungslinie ist ein komplexer Prozess, der mit der richtigen Softwareunterstützung erheblich erleichtert werden kann. Dies beinhaltet nicht nur die Optimierung der Prozesszeit des SMT-Equipments, sondern erfordert auch, dass man in der Lage ist, einen kompletten Überblick über die Produktionsumgebung und die Fertigungsmethoden zu bekommen.

Aktivitäten wie Line-Balancing zur Überwindung von Produktionsengpässen, gewichtete Produktgruppierungen und Setup-Optimierungen sind die am häufigsten betroffenen Bereiche für Verbesserungen. Doch mit einer richtig eingesetzten Shopfloor-Lösung lassen sich zur Überwachung der Maschinenleistung, der Just-in-Time (JIT) Materialbereitstellung und der Steuerung der Lagerverwaltung erhebliche Verbesserungen in der allgemeinen Effizienz des Fertigungsbetriebs erzielen.

Bei den meisten Produktionslinien stellt der Zugriff auf Daten und Tools zur Durchführung von Analysen ein Problem dar. Bild 4 zeigt, wie die Valor-Lösung die relevanten Informationen einer SMT-Maschine in einer Fertigung darstellt. Ein Ingenieur kann sofort die Leistung einer Maschine beurteilen und entscheiden, ob Korrekturmaßnahmen durchgeführt werden müssen.

In Fertigungslinien, in denen diese Lösungen eingesetzt werden, sind die Anwender in der Lage, Probleme quantitativ zu bestimmen und Verbesserungen in der Maschinenauslastung von über zehn Prozent zu erzielen. Solche Verbesserungen können allein schon dadurch entstehen, dass der Betrieb der Maschinen aufrecht erhalten werden kann, weil das Material nun nicht mehr ausgeht. Ein weiterer Punkt, der aus solchen Erkenntnissen resultiert ist, dass durch leichten Zugang zu den richtigen Daten häufig Probleme festgestellt werden können, die den Herstellern bisher nicht bewusst waren. Häufig stellt sich heraus, dass die Ursachen eines Problems in der Realität garnicht den üblichen Vermutungen entsprechen.

Sammeln von Fehlerdaten

Es ist unvermeidlich, dass einige Baugruppen, einzelne Bauteile etc. ausfallen. Das Erfassen und Analysieren der Daten kann jedoch viel einfacher die Ursachen aufzeigen und notwendige Korrekturen ermöglichen. Bild 5 zeigt einige Bereiche, bei denen mit Hilfe von Valors Software V-Check Fehler diagnostiziert und gesammelt wurden. Einer der größten Vorteile der Software ist die Fähigkeit, nicht nur in Echtzeit über die Test- und/oder Inspektionsfehler zu detektieren, die bei den zur Bestückung verwenden Maschinen und Prozessparameter auftreten. Darüber hinaus werden Materialfehler und Kennzeichnungen gefunden, die an den aufgezeigten Fehlerstellen auf der Leiterplatte zum Einsatz kommen. Diese Art der Datenauswertung und der Informationsfluss in Echtzeit sorgen für einen optimalen, fehlerreduzierten Fertigungsfluss.

Die Feedback-Schleife

Ausgehend von der oben erläuterten Erörterung der DFM-Regeln in der Leiterplatten-Entwicklungsumgebung geht es darum eine Herstellung eines Produkts zu den niedrigsten Kosten mit der höchsten Effizienz zu erreichen. Das bedeutet ein kontinuierlicher Lernprozess. Während der Produktion stellen Ingenieure fest, welche Best-Practices für DFM verwendet werden können. Diese werden schrittweise verbessert, um dann zu einer besseren Ausnutzung der Produktionskapazitäten sowie zu einer höheren Ausbeute zu führen.

An diesem Punkt hilft die erste Feedback-Schleife. Mit den Daten, die während des Herstellungsprozesses und der Fehleranalyse des Produkts erfasst wurden, lässt sich die Effektivität der DFM-Regeln steigern. Die kontinuierliche Verbesserung des DFM-Regelsatzes auf der Basis von realen Ergebnissen kann das Design des nächsten Produkts oder, wenn die Kostenänderung bedeutend genug ist, die Erträge des aktuellen Produkts, positiv beeinflussen.

Die zweite Möglichkeit eines Feedbacks besteht während des Herstellungsprozesses. Hier sind eine unmittelbare Rückmeldung und Änderungsvorschläge für das Einrichten der Fertigungslinie sowie der Original-Prozessdatenmodelle möglich.

Fazit

Fertigungsgerechte Entwicklung sollte als durchgehendes Konzept betrachtet werden. Begonnen wird mit den DFM-Regeln des Herstellers. Im Anschluss wird Prozess bis zur Fertigung konsequent fortgesetzt. Dieser Prozess endet nicht mit der Auslieferung des Produkts oder dem After-Sales-Support. Die Grundidee ist vielmehr, dass es kein Ende gibt. Durch das Erfassen der Informationen im Produktionsbereich werden diese Informationen an die vorherigen Prozessstufen (inklusive Design) zurückgemeldet. Dies senkt nicht nur unnötige Kosten und produziert wettbewerbsfähigere Produkte, sondern ermöglicht auch eine Kultur der kontinuierlichen Verbesserung.

(hb)