設計製造（DFM）：コスト削減と生産加速の3つの重要ポイント

DFMは「設計製造（Design for Manufacturing）」の略で、設計が試作開発から新製品導入（NPI）へ移行する際に開始される製品開発プロセスの一部です。正しく実施すれば、製造と生産の時間とコストを大幅に削減できます。本稿ではDFMについて知っておくべき3つの重要事項と、それが製品の製造容易性にどう影響するかを議論します。

DFMとは何か、なぜ重要か

設計製造（DFM）とは、量産と組み立てが容易な部品とアセンブリで製品を設計する実践です。製品を経済的に製造するために必要な次のレベルの製品設計です。経験豊富なエンジニアは長年の製造経験により、早期段階からある程度DFMを取り入れていますが、全体プロセスは非常に詳細で、独自のフェーズを必要とします。 DFMには適切なタイミングがあり、製品開発プロセスの後半で行うと非常にコストがかかります。一般的に、コンセプト開発が凍結し、複数回の試作が完了し、技術チームが設計に自信を持てる十分な試験が完了した後が、製造設計の適切なタイミングです。

DFM分析の実施方法

• 設計意図を見極め理解する。
• コスト増要因を念頭に置きつつ、設計要件を満たす材料を選定。
• 部品形状と予想生産量に基づき、各部品の最終製造プロセスを決定。
• 選定素材サイズで材料除去を最小化するよう部品設計し、加工時間を削減。
• 公差を慎重に見直し、適切なフィット・形状・機能を保証し、可能な限り緩い公差を決定。公差は選択した製造方法で生産可能な良品を許容する範囲にすべき。
• 単一複雑部品のコストと、マルチパートアセンブリの組立時間・コストを比較検討。
• プラスチック射出成形部品については、肉厚、抜き勾配、リブ、テクスチャーの均一性と一貫性を見直し。
• 組立順序、部品数、組立所要時間に細心の注意を払いアセンブリ設計を見直し。
• 必要なハードウェアサイズの種類を最小化し、必要工具を削減。
• 必要な組立治具とジグの数を最小化。
• 入荷検査で容易に測定できるよう公差設計。測定時に部品を切断する必要がないよう配慮。
• 電子部品を含む製品では、組立プロセスと顧客エンドユースの両方で安全要件を見直し。
• リスク最小化と規制・業界要件遵守のため、適切な製品ラベリングを見直し。

設計製造に影響する主要因子

製造プロセス

製品設計に最も影響するのは、製造に必要なプロセスです。セットアップ数を最小限に抑えるよう機械加工部品を慎重に設計すればコストを抑制できます。例えば、全加工が片面で完結すれば、アンクランプして反対面に再位置決めする必要がなく、時間と人件費を削減。機械加工部品のコストを下げるもう一つの要因は、必要工具交換数。例えば、全てのRが同一で十分大きければ、同じエンドミルで材料除去とコーナー面取りができ、工具交換が不要。同様に、同一サイズの穴やタップ穴を部品全体で統一すれば工具交換を最小化。DFM中のもう一つの選択肢は、部品を別機械に移動させる二次作業を排除すること。旋盤加工部品にフライス盤やEDM（放電加工）でディテールを追加するケースなど。CNC複合加工機の進歩と4・5軸機の追加によりこれは要因として小さくなっていますが、全ての機械工場がこれら新型機を持っているわけではありません。

部品点数

コスト削減の最短ルートは異なる部品数を減らすことです。機能とユーザー要件により不可能な場合もありますが、製品品質を犠牲にせず部品点数を減らす戦略はいくつかあります。複数の小部品を1つの大型プラスチック部品に統合できる場合があります。同様に、モジュラーアセンブリなら全ユニットの部品生産を増やさずに、異なる製品モデルへ追加機能を搭載可能。コンポーネントを見て、同じ部品を複数箇所で使えないか検討。例えば外装ケースの両半分に同じ部品を使用。1つの部品を大量生産すれば、2つの部品を少量生産するよりピース単価を大幅に削減。検査と組立コストも、別部品の書類と品質管理が不要になるため影響します。

予想販売量

予想販売量は部品生産方式を決定する役割を果たします。生産量が十分多ければ、成形や鋳造を検討すべきです。両プロセスには多額の金型費がかかりますが、製品寿命で金型費を償却すればピース単価を削減可能。場合により大量生産部品を最初の数ヶ月は機械加工で行い、設計安定を待つこともあります。設計変更がなければ、コスト削減プログラムとして成形や鋳造へ移行。

仕上げ要件

部品の仕上げ要件も設計製造に影響します。材質と環境要因により多くの仕上げが利用可能。例えば金属部品は最低1つの二次作業が必要。最もシンプルなのはステンレス鋼で、パッシベーションと呼ばれる洗浄プロセスのみ。アルミニウム部品では選択肢が多く、アルマイト（複数色）、硬質アルマイト、ニッケルめっき、塗装、粉体塗装が人気。

必要公差

公差は製品機能を損なう前の寸法許容変動を定義。公差見直しは製造設計の必須側面。部品公差は価格だけでなく製品組立と機能に影響。部品が印刷寸法範囲内で嵌合し機能するよう公差設定すべき。過剰な寸法数や極めて厳しい公差は検査を長引かせコスト増。厳しい公差は製造コスト増と不良率上昇を招く。部品は検査時に容易に検証できるよう公差設定すべき。専用設備が必要な公差ではコスト問題も。朗報はCNC複合加工機の登場で厳公差がほぼ標準化。従来±.005インチが標準だったが、現在±.003インチも加工機精度により同コストで実現可能。

材料選定

材料選定は原材料コストだけでなく、切削送り速度（時間）も決定。今日多くの製品が電気機械的であるため、プリント基板設計と部品選定が重要。部品入手性の慎重な検討が必要で、陳腐化は高コスト問題。部品熱伝達要件が電子基板の性能と機能に影響。熱解析と安全性も電子のDFMレビュー項目。製品性能検証のレビューで組立作業者の安全性を確保。これはハードウェアに関わるが、ソフトウェア作成も一般に厳密なレビューと更新を受ける。試験と認証はコストに大きな影響だが、通常は一度きりの認証（CEやUL）。

組立プロセス

人件費を考慮し、必要組立時間を検討。部品簡素化が1部品を複数部品に変え組立を必要とする場合、コスト削減と追加組立時間・必要ハードウェアを天秤にかける必要あり。製品が組み立てやすいほどコスト効率的。また、単一複雑部品へ移行すれば位置決め治具やジグが不要になりコスト削減になる場合も。これら全要因をDFMで評価する必要があります。

DFMプロセスの全タスクとニュアンスを1記事で網羅するのは困難です。プロトタイプ作成と十分な試験までプロセス開始できないこと、プロセスが厳格で多段階であり、予定製造プロセスに精通したエンジニアによる慎重な統合設計作業が必要であることが重要なポイント。設計製造では経験に代わるものはありません。 開始方法が不明な場合や、ツール設計について専門家の助言を望む場合は、お気軽にお問い合わせください。喜んでお手伝いします。