概述
DFM 和 DFA 是产品设计阶段的重要方法论，旨在通过优化设计来降低制造成本、提高生产效率和产品质量。两者常合称为 DFMA（Design for Manufacturing and Assembly）。
设计阶段成本影响力
┃ 设计决策影响
100% ┃█████████
┃ █████████
┃ █████████
50% ┃ ████████
┃ ████████
┃ ████
0% ┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
概念 详细 试产 量产 售后
设计
> 70-80% 的产品成本在设计阶段就已确定
DFM (Design for Manufacturing) - 面向制造的设计
核心理念
在设计阶段考虑制造工艺的限制和要求，使产品易于制造、成本可控。
通用设计原则
1. 简化设计
- 减少零件数量：能合并的零件尽量合并
- 减少紧固件：用卡扣、焊接替代螺丝
- 避免不必要的精度要求：只在关键位置标注严格公差
2. 标准化
- 使用标准件：优先选用标准螺丝、轴承、密封圈
- 统一规格：同一产品中螺丝规格尽量统一（如全部用 M3）
- 复用已有设计：利用已验证的成熟方案
3. 考虑工艺能力
- 了解供应商能力：设计前了解加工设备精度极限
- 留有余量：不要设计在工艺极限边缘
- 避免特殊工艺：除非必要，不要使用特殊加工方法
不同工艺的 DFM 要点
注塑件
| 设计要点 | 建议 |
|---|
| 壁厚 | 均匀壁厚，避免厚薄突变（缩水） |
| 脱模斜度 | 外表面 1-2°，内表面 0.5-1° |
| 加强筋 | 筋厚 ≤ 0.6 × 壁厚 |
| 圆角 | 内圆角 ≥ 0.5 × 壁厚 |
| 孔 | 深度 ≤ 3 × 直径 |
| 倒扣（Undercut） | 尽量避免，需要时考虑滑块成本 |
钣金件
| 设计要点 | 建议 |
|---|
| 最小折弯半径 | R ≥ 板厚 |
| 孔到折弯边距离 | ≥ 2 × 板厚 + 折弯半径 |
| 最小孔径 | ≥ 板厚 |
| 孔间距 | ≥ 2 × 板厚 |
| 折弯高度 | ≥ 2 × 板厚 + 折弯半径 |
CNC 加工件
| 设计要点 | 建议 |
|---|
| 内圆角 | ≥ 刀具半径（常用 R1.5、R3） |
| 深腔 | 深度 ≤ 4 × 刀具直径 |
| 薄壁 | 金属 ≥ 0.8mm，塑料 ≥ 1.5mm |
| 孔深 | 标准钻头：深度 ≤ 10 × 直径 |
| 螺纹深度 | ≥ 1.5 × 螺纹直径（有效螺纹） |
3D 打印件
| 设计要点 | FDM | SLA | SLS |
|---|
| 最小壁厚 | 1.2mm | 0.6mm | 0.8mm |
| 最小孔径 | 2mm | 0.5mm | 1.5mm |
| 悬垂角度 | < 45° 需支撑 | < 30° 需支撑 | 无需支撑 |
| 表面精度 | 较粗糙 | 光滑 | 略粗糙 |
DFA (Design for Assembly) - 面向装配的设计
核心理念
简化装配过程，减少装配时间和错误，使产品易于组装。
通用设计原则
1. 减少零件数量
评估每个零件是否必要，问三个问题：
- 该零件是否需要相对其他零件运动？
- 该零件是否必须用不同材料？
- 该零件是否必须可拆卸（维修/更换）？
如果三个问题的答案都是”否”，则该零件可以与其他零件合并。
2. 设计自定位特征
不好的设计 好的设计
┌─────────┐ ┌─────────┐
│ │ │ ┌───┐ │
│ ○ │ │ │ ○ │ │ <- 定位销/凸台
│ │ │ └───┘ │
└─────────┘ └─────────┘
需要对准 自动对准
- 定位销/孔：引导零件到正确位置
- 倒角/导向：便于插入和对准
- 防呆设计：使错误装配不可能发生
3. 单一装配方向
- 优先自上而下装配：利用重力辅助定位
- 避免翻转：减少夹具和工序
- Z 轴装配：尽量从一个方向完成装配
理想装配方向
↓ ↓ ↓
┌─────────┐
│ Part A │
├─────────┤
│ Part B │
├─────────┤
│ Part C │
└─────────┘
基座
4. 便于抓取和操作
- 避免微小零件：难以抓取和定位
- 避免柔性零件：电缆、弹簧等难以自动化装配
- 避免缠结：零件形状不易相互缠绕
- 提供抓取面：便于夹具或手指抓取
5. 减少紧固件
| 连接方式 | 装配时间 | 成本 | 可拆卸性 |
|---|
| 卡扣 | 快 | 低 | 可 |
| 压入配合 | 快 | 低 | 困难 |
| 螺丝 | 慢 | 中 | 可 |
| 焊接 | 中 | 中 | 不可 |
| 胶粘 | 中 | 低 | 不可 |
装配效率评估
Boothroyd-Dewhurst 方法
装配效率 = (理论最少零件数 × 3秒) / 实际装配时间
目标：装配效率 > 30%
评分表示例
| 操作类型 | 时间（秒） |
|---|
| 理想零件插入 | 1.5 |
| 需要对准的插入 | 5-10 |
| 螺丝紧固 | 6-10 |
| 电缆连接 | 10-15 |
| 需要翻转产品 | 5-8 |
DFM/DFA 检查清单
设计评审问题
成本影响因素
成本组成（典型比例）
材料成本 ████████████████████ 40%
加工成本 ████████████████ 32%
装配成本 ██████████ 20%
其他成本 ████ 8%
> DFM 主要影响材料和加工成本
> DFA 主要影响装配成本
案例分析
改进前 vs 改进后
| 指标 | 改进前 | 改进后 | 改善 |
|---|
| 零件数量 | 24 | 8 | -67% |
| 紧固件数量 | 12 | 2 | -83% |
| 装配时间 | 180s | 45s | -75% |
| 单件成本 | ¥85 | ¥52 | -39% |
改进措施
- 将多个塑料件合并为一个注塑件
- 用卡扣替代螺丝连接
- 增加定位特征实现自动对准
- 统一装配方向为自上而下
相关概念
- PVT：产品验证阶段
- DFT (Design for Test)：面向测试的设计
- DFR (Design for Reliability)：面向可靠性的设计
- DFS (Design for Service)：面向维修的设计
- DFE (Design for Environment)：面向环境的设计
参考资料