Design for Manufacturing (DfM): Fertigungsgerechtes Design von Anfang an
Ein neues Gehäuse besteht alle Simulationen. Der Prototyp überzeugt im Test. Dann kommt das Angebot aus der Fertigung, und die Stückkosten liegen 30 Prozent über dem Zielpreis. Viele Entwicklungsleiter kennen dieses Szenario. Die Ursache liegt selten in der Produktion. Sie liegt fast immer im Design. Laut Dr. Thomas Straßmann von der Universität Duisburg-Essen legt die Konstruktion rund 70 Prozent der beeinflussbaren Herstellungskosten fest. Genau hier setzt Design for Manufacturing an. DfM bringt das Wissen der Fertigung in den Entwicklungsprozess, bevor teure Werkzeuge entstehen. So vermeiden Sie Überarbeitungen in späten Phasen und verkürzen die Vorlaufzeit bis zur Serie. In diesem Beitrag erfahren Sie, welche Prinzipien hinter DfM stehen. Sie lernen die Abgrenzung zu DFA und DFMA kennen. Praxisbeispiele zeigen, wie fertigungsgerechtes Design Kosten senkt. Zum Schluss sehen Sie, wie CAD- und PLM-Software den Ansatz im Alltag unterstützt.
Was ist Design for Manufacturing (DfM)?
Design for Manufacturing (DfM) ist eine Konstruktionsmethodik. Sie gestaltet ein Bauteil so, dass es sich einfach, sicher und wirtschaftlich herstellen lässt. Ingenieure berücksichtigen dabei früh die Fertigungsmethoden, die Materialauswahl und die geplante Stückzahl. Im Deutschen spricht man auch von fertigungsgerechter Konstruktion. Das Ziel ist klar: Die Funktion des Produktes bleibt gleich, die Herstellungskosten sinken.
DfM betrachtet jedes einzelne Teil. Wie viele Rüstvorgänge braucht die Bearbeitung? Passen die Toleranzen zur Maschine? Lässt sich das Bauteil sicher spannen? Diese Fragen beantwortet das Team, solange die Entwürfe noch als CAD-Modell existieren. Eine Änderung kostet dort wenige Minuten. In der laufenden Produktion kostet dieselbe Änderung oft Wochen.
DfM, DFA und DFMA: Wo liegt der Unterschied?
DfM steht selten allein. Eng verwandt ist Design for Assembly (DFA). DFA betrachtet nicht das einzelne Teil, sondern die gesamte Baugruppe. Es reduziert die Anzahl der Teile und vereinfacht die Montageschritte. Beide Ansätze zusammen bilden Design for Manufacturing and Assembly, kurz DFMA. Die Methodik geht maßgeblich auf die Forscher Geoffrey Boothroyd und Peter Dewhurst zurück.
In der Praxis greifen beide Perspektiven ineinander. Ein Gussteil kann zum Beispiel zwei Frästeile ersetzen. Das senkt die Montagezeit, erhöht aber unter Umständen die Werkzeugkosten. Erst die gemeinsame Betrachtung zeigt, welche Lösung über den gesamten Produktentwicklungszyklus günstiger ist.
Warum DfM früh im Entwicklungsprozess ansetzen muss
Kosten entstehen in der Fertigung. Festgelegt werden sie aber viel früher. Mit allen Designentscheidungen schränkt das Team die Möglichkeiten der Produktion weiter ein. Wer Material, Wandstärke und Toleranzen festlegt, bestimmt damit auch Werkzeugauswahl, Prozesskette und Produktionszeit. Ansätze wie Concurrent Engineering und Collaborative Engineering bringen Konstruktion und Fertigung deshalb früh an einen Tisch.
Die oft zitierte 70-Prozent-Regel ist dabei kein Naturgesetz. Forscher am MIT haben die Zahl kritisch untersucht. In ihrer Studie zu Kaffeemaschinen erklärte das Produktdesign rund die Hälfte der Herstellungskosten. Der Rest hing vom Fertigungssystem ab. Die Kernaussage bleibt trotzdem gültig: Der Entwurf setzt den Rahmen, in dem sich die Fertigung bewegt.
Ein zweiter Faktor ist die Zeit. Produktänderungen nach dem Start der Serienwerkzeuge verlängern die Vorlaufzeit erheblich. Jede Überarbeitung erfordert neue Freigaben, neue Erstmuster und oft eine erneute Prüfung beim Kunden. Für Automobilzulieferer mit festen SOP-Terminen ist das ein echtes Risiko. DfM verschiebt diese Probleme in eine Phase, in der sie sich noch günstig lösen lassen.
Die wichtigsten Prinzipien des fertigungsgerechten Designs
Designrichtlinien für DfM unterscheiden sich je nach Verfahren. Einige Prinzipien gelten jedoch für fast jedes Anwendungsfeld.
Teileanzahl reduzieren
Jedes Teil verursacht Kosten. Es braucht eine Zeichnung, einen Lieferanten, einen Lagerplatz und eine Prüfung. Fragen Sie daher bei jedem Teil, ob es sich mit einem Nachbarteil zusammenfassen lässt. Weniger Teile bedeuten weniger Montageschritte und weniger Montageprobleme.
Standardisierung und Standardkomponenten nutzen
Normteile, Katalogteile und firmeninterne Wiederholteile sparen Entwicklungszeit. Sie senken zudem den Lagerbestand und den Lageraufwand. Einheitliche Bohrungsdurchmesser und Gewindegrößen reduzieren außerdem die Werkzeugwechsel an der Maschine. Ein systematisches Standardteilemanagement macht Standardkomponenten für alle Konstrukteure schnell auffindbar. Ein durchdachtes Variantenmanagement begrenzt zusätzlich die Teilevielfalt.
Materialauswahl und Fertigungsmethoden abstimmen
Material und Verfahren gehören zusammen. Ein Bauteil aus Aluminium lässt sich gut fräsen oder druckgießen. Ein Teil aus faserverstärktem Kunststoff stellt ganz andere Konstruktionsanforderungen. Berücksichtigen Sie dabei auch die Skalierung. Was bei 50 Prototypen sinnvoll ist, passt selten zu 50.000 Serienteilen.
Toleranzen und Ausrichtung bewusst festlegen
Enge Toleranzen kosten Geld. Legen Sie sie nur dort fest, wo die Endanwendung sie wirklich verlangt. Eine Toleranzanalyse zeigt, welche Maße die Funktion tatsächlich beeinflussen. Eine saubere Bemaßung nach GD&T hilft dabei. Planen Sie außerdem eindeutige Bezugsflächen und Zentrierungen ein. Sie legen die Ausrichtung eines Teils fest und verhindern Ausrichtungsfehler bei der Montage.
Spannen und Montieren mitdenken
Ein Bauteil muss sich sicher spannen lassen. Plane Auflageflächen erleichtern die Werkstückhalterung und reduzieren Rüstvorgänge. Für die Montage gilt Ähnliches. Symmetrische Teile lassen sich nicht falsch einbauen. Fasen und Führungen erleichtern das Fügen. Klar definierte Unterbaugruppen erlauben eine parallele Vormontage und vereinfachen Montagevorrichtungen.
DfM in der Praxis: zwei Beispiele
Zerspanung: weniger Aufspannungen, kürzere Rüstzeit
Ein Zulieferer entwickelt eine Sensorhalterung aus Aluminium. Der erste Entwurf verlangt Bohrungen aus drei Richtungen. Das bedeutet drei Aufspannungen und eine lange Rüstzeit pro Los. Im DfM-Review verlegt das Team zwei Bohrungen auf eine gemeinsame Seite. Die Halterung braucht nun nur noch zwei Aufspannungen. Zusätzlich vereinheitlicht das Team die Eckenradien. So genügt ein einziger Fräser für alle Taschen.
Eine Beispielrechnung zeigt die Wirkung. Spart die Änderung zwei Minuten pro Teil, ergibt das bei 50.000 Teilen im Jahr rund 1.670 Maschinenstunden. Diese Kapazität steht der Fertigungslinie nun für andere Aufträge zur Verfügung.
Dokumentierter Fall: halbe Kosten durch DFMA
Das Unternehmen Boothroyd Dewhurst dokumentiert die Neukonstruktion einer Schlauchhaspel für Feuerwehrschläuche. Das Team senkte die Teileanzahl von 59 auf 27. Die Zahl der Montageoperationen sank von 106 auf 49. Die Montagezeit halbierte sich von 525 auf 264 Sekunden. Die Gesamtkosten fielen um 50 Prozent. In einem weiteren Fall reduzierte ein internationaler Konzern die Teileanzahl um 42 Prozent. Die Fertigungszykluszeit sank dabei um 60 Prozent.
DfM im jeweiligen Anwendungsfeld
Spritzguss und Guss
Gleichmäßige Wandstärken verhindern Einfallstellen und Verzug. Entformungsschrägen erleichtern das Auswerfen. Hinterschnitte erfordern Schieber und verteuern das Werkzeug. Eine FEM-Analyse zeigt, ob dünnere Wände die Belastung trotzdem tragen. Klären Sie solche Fragen mit dem Werkzeugbau, bevor Sie die Konstruktion freigeben.
3D-Druck und additive Fertigung
Auch der 3D-Druck folgt eigenen Regeln. Die Ausrichtung im Bauraum beeinflusst Stützstrukturen, Oberflächengüte und Festigkeit. Sie bestimmt außerdem Druckzeit und Nachbearbeitungszeit. Selbsttragende Winkel sparen Stützmaterial. Ein großer Vorteil der additiven Fertigung liegt in der Funktionsintegration. Mehrere Teile lassen sich zu einem Bauteil vereinen. Prüfen Sie jedoch früh, ob der Druck auch in Serie wirtschaftlich bleibt.
Elektronikentwicklung
In der Elektronikentwicklung bezieht sich DfM vor allem auf die Leiterplatte. Ausreichende Abstände zwischen Bauteilen erleichtern die automatische Bestückung. Standardgehäuse senken Beschaffungsrisiken. Einheitlich ausgerichtete Bauteile vereinfachen das Löten und die optische Prüfung. Testpunkte ermöglichen eine schnelle elektrische Prüfung am Ende der Produktionslinie.
DfM digital umsetzen: Software im Produktionsworkflow
DfM funktioniert nur, wenn Konstruktion und Fertigung dieselben Daten nutzen. Moderne CAD- und PLM-Systeme schaffen diese Grundlage. In SOLIDWORKS prüft das integrierte Werkzeug DFMXpress Bauteile automatisch auf fertigungskritische Merkmale. Dazu zählen etwa zu tiefe Bohrungen oder zu kleine Innenradien. SOLIDWORKS Costing schätzt die Herstellungskosten bereits während der Konstruktion. Eine begleitende CAD-Simulation sichert die Funktion des optimierten Bauteils ab.
Für komplexe Produkte bietet die 3DEXPERIENCE-Plattform einen durchgängigen Ansatz. Konstrukteure arbeiten in CATIA am Modell. Fertigungsplaner nutzen parallel DELMIA für die Prozessplanung. Sie simulieren Montageschritte, Roboterbahnen und den Materialfluss am digitalen Zwilling der Fertigungslinie. So zeigen sich Montageprobleme, bevor die erste Vorrichtung entsteht. Eine digitale Kollisionsprüfung deckt Bauraumkonflikte zusätzlich früh auf. Produktionsentscheidungen basieren dann auf einem gemeinsamen Datenstand.
Das PLM-System sorgt für die nötige Transparenz. Es verknüpft Anforderungen, CAD-Daten und Arbeitspläne. Ändert sich ein Teil, sehen alle Beteiligten sofort die Auswirkungen auf die Arbeitsabläufe in Fertigung und Montage. Dieser durchgängige Datenfluss beschleunigt den gesamten Entstehungsprozess eines Produktes.
In fünf Schritten zu DfM im Unternehmen
- Kostentreiber analysieren: Werten Sie bestehende Produkte per Wertanalyse aus und identifizieren Sie teure Teile und lange Rüstzeiten.
- Designrichtlinien festlegen: Dokumentieren Sie fertigungsgerechte Regeln für Ihre wichtigsten Verfahren und Maschinen.
- Fertigung früh einbinden: Planen Sie feste DfM-Reviews mit der Arbeitsvorbereitung in jeder Entwicklungsphase ein.
- Software nutzen: Automatisieren Sie Prüfungen im CAD und simulieren Sie den Herstellungsprozess digital.
- Erfahrungen zurückführen: Speisen Sie Erkenntnisse aus der Produktion laufend in die Richtlinien ein. So entsteht eine stetige Verbesserung im Sinne von Lean Manufacturing.
Design for Manufacturing: FAQ
Was bedeutet DfM?
DfM steht für Design for Manufacturing. Die Methode gestaltet Produkte so, dass sie sich einfach und kostengünstig fertigen lassen. Fertigungswissen fließt dabei bereits in die frühen Entwürfe ein.
Was ist der Unterschied zwischen DfM und DFMA?
DfM optimiert die Herstellung einzelner Teile. DFMA kombiniert DfM mit Design for Assembly. Es betrachtet zusätzlich die Montage der gesamten Baugruppe und reduziert Teileanzahl und Montageschritte.
Wann sollte DfM im Produktentwicklungszyklus beginnen?
DfM sollte bereits in der Konzeptphase beginnen. Dort sind Änderungen am günstigsten. Spätestens vor der Freigabe der Serienwerkzeuge gehört ein DfM-Review in den Prozess.
Gilt DfM auch für Prototypen?
Ja. Prototypen entstehen oft mit anderen Verfahren als Serienteile. Ein gedrucktes Teil kann im Spritzguss scheitern. Prüfen Sie daher schon beim Prototyp, ob der Entwurf zum späteren Serienverfahren passt.
Welche Software unterstützt DfM?
CAD-Systeme wie SOLIDWORKS und CATIA bieten Fertigbarkeitsprüfungen und Kostenschätzungen. DELMIA simuliert Fertigung und Montage. Die 3DEXPERIENCE-Plattform verbindet beide Welten auf einer gemeinsamen Datenbasis. Zulieferer finden Orientierung im Überblick zu CAD-Software für die Automotive-Industrie.
Fertigungsgerechtes Design zahlt sich aus
Design for Manufacturing ist kein zusätzlicher Arbeitsschritt. Es ist eine Haltung im Entwicklungsprozess. Wer Fertigung und Montage früh mitdenkt, senkt Kosten und verkürzt die Time-to-Market. Teure Änderungsschleifen nach dem Werkzeugstart werden zur Ausnahme. Die Werkzeuge dafür sind vorhanden. Entscheidend ist, sie konsequent einzusetzen.
TECHNIA begleitet Sie dabei mit über 30 Jahren Erfahrung in CAD, PLM und digitaler Fertigung. Unsere Experten unterstützen Sie bei Auswahl und Einführung von CATIA, SOLIDWORKS und DELMIA. Mit unseren Engineering-Services verankern Sie DfM dauerhaft in Ihren Prozessen. Sprechen Sie uns an. Gemeinsam machen wir Ihre Konstruktion fit für die Serie.