Design for Manufacturing (DFM): waarom goede producten al op de tekentafel beginnen
Design for Manufacturing, meestal afgekort tot DFM, is een ontwerpaanpak waarbij je vanaf het eerste potloodstreepje al rekening houdt met hoe een product straks daadwerkelijk gemaakt gaat worden. In plaats van eerst een mooi ontwerp te bedenken en dat pas later aan de fabriek te "gooien", werken ontwerpers en productiespecialisten vanaf de start samen. Zo voorkom je dat je een product ontwerpt dat er op papier fantastisch uitziet, maar in de praktijk onmogelijk, traag of extreem duur te produceren blijkt.
Een simpele analogie: stel dat je een taart wilt bakken die eruitziet als een kasteel, met torentjes, bruggetjes en piepkleine vlaggetjes van suikerwerk. Als je dat ontwerp bedenkt zonder ooit in een keuken te hebben gestaan, loop je vast tegen problemen aan als een oven die te klein is, suikerwerk dat instort, of een bereidingstijd van drie dagen. Een banketbakker die vanaf het begin meedenkt, past het ontwerp aan: iets minder torentjes, een steviger fundament, onderdelen die je apart kunt bakken en achteraf samenvoegen. Het resultaat oogt nog steeds indrukwekkend, maar is nu ook daadwerkelijk te maken. Dat is in essentie wat DFM doet, maar dan voor auto's, telefoons, medische apparatuur en al het andere dat in een fabriek wordt gemaakt.
Wat is het precies?
DFM is geen enkele techniek, maar een verzameling ontwerpprincipes en werkwijzen die allemaal hetzelfde doel dienen: een product zo ontwerpen dat het efficiënt, betrouwbaar en tegen zo laag mogelijke kosten te produceren is. Een paar kernideeën komen steeds terug.
Ten eerste: minimaliseer het aantal losse onderdelen. Elk onderdeel dat je uit een ontwerp kunt schrappen, is een onderdeel dat niet meer gemaakt, getransporteerd, opgeslagen en gemonteerd hoeft te worden. Minder onderdelen betekent vaak ook minder kans op fouten, want elke verbinding tussen twee delen — een schroef, een lasnaad, een klikverbinding — is een plek waar iets mis kan gaan.
Ten tweede: kies materialen en productietechnieken die passen bij de gewenste aantallen en het budget. Een onderdeel dat je met spuitgietwerk (waarbij gesmolten kunststof of metaal in een mal wordt geperst) in grote series goedkoop kunt maken, is bij een oplage van tien stuks juist duurkoop, omdat de mal zelf al tienduizenden euro's kost.
Ten derde speelt het werken met tolerances een grote rol. Een tolerantie is de toegestane afwijking van de exacte maat die op de tekening staat — in de praktijk is geen enkel onderdeel perfect op de micrometer nauwkeurig. Hoe strenger (kleiner) de tolerantie, hoe duurder en trager de productie meestal wordt. DFM betekent dus ook: alleen daar strenge toleranties eisen waar dat functioneel echt nodig is, en elders wat speling toestaan.
Een specifieke, veelgebruikte uitwerking van DFM heet DFMA, wat staat voor Design for Manufacture and Assembly: ontwerpen met niet alleen de productie, maar ook de latere montage in het achterhoofd. Ontwerpteams gebruiken tegenwoordig CAD-software (computer aided design, ofwel digitaal tekenen en modelleren) die is gekoppeld aan simulatietools. Daarmee kun je vooraf doorrekenen hoe een onderdeel zich gedraagt onder belasting, hitte of trilling, nog voordat er iets fysieks is gemaakt. Een recentere aanvulling is generative design: software krijgt doelen mee (bijvoorbeeld: zo licht mogelijk, maar wel sterk genoeg) en genereert zelf tientallen ontwerpvarianten. Een verwant concept, topology optimization, laat software berekenen waar in een onderdeel daadwerkelijk materiaal nodig is en waar het simpelweg weggehaald kan worden zonder de sterkte te verliezen — wat vaak grillige, organisch ogende vormen oplevert die met traditionele gereedschappen niet te maken zijn, maar wel met 3D-printen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste motief achter DFM is simpel: geld en tijd besparen, zonder in te leveren op kwaliteit. Onderzoek binnen de productie-industrie wijst al decennia in dezelfde richting: fouten die je pas ontdekt nadat een product al in productie is, zijn vele malen duurder om te herstellen dan fouten die je in de ontwerpfase opspoort. Door productiekennis vroeg in het proces te betrekken, voorkom je dure herontwerpen achteraf.
Daarnaast helpt DFM om producten sneller op de markt te brengen. Bedrijven die concurreren op innovatie — denk aan smartphones of elektrische auto's — kunnen het zich niet veroorloven om maanden te verliezen aan een ontwerp dat opnieuw moet omdat de fabriek het niet aankan.
Een derde doel is betrouwbaarheid: een product met minder onderdelen en realistische toleranties heeft simpelweg minder kans op defecten, wat weer scheelt in garantiekosten en reputatieschade. Tot slot krijgt duurzaamheid een steeds grotere rol binnen DFM. Minder materiaalgebruik, minder afval tijdens productie en energiezuinigere fabricagemethoden zijn tegenwoordig vaak expliciete ontwerpeisen, niet alleen bijproducten van kostenbesparing.
Voorbeelden uit de praktijk
De formele basis van DFMA werd gelegd door de Amerikaanse hoogleraren Geoffrey Boothroyd en Peter Dewhurst, die eind jaren zeventig en begin jaren tachtig methodes ontwikkelden om productie- en montagekosten al tijdens het ontwerpproces te berekenen. Hun werk werd later gecommercialiseerd via het bedrijf Boothroyd Dewhurst Inc., waarvan de software vandaag de dag nog steeds in de industrie wordt gebruikt.
Een bekend recenter voorbeeld komt van GE Aviation. Voor de LEAP-vliegtuigmotor, ontwikkeld via de joint venture CFM International (GE en het Franse Safran), werd de tip van de brandstofinjector herontworpen met 3D-printen (additive manufacturing). Wat voorheen uit ongeveer twintig losse, gelaste onderdelen bestond, werd samengevoegd tot één geprint onderdeel, lichter en duurzamer dan de oude versie. Deze geprinte onderdelen gingen rond 2015-2016 in productie.
Ook Tesla is een veelgenoemd voorbeeld, met de zogeheten "gigacasting"-techniek die sinds 2020 bij de Model Y wordt toegepast. Enorme gietmachines, de Giga Press, gebouwd door het Italiaanse bedrijf Idra Group, persen in één keer een groot aluminium onderdeel dat voorheen uit tientallen apart gestanste en aan elkaar gelaste plaatdelen bestond. Dat scheelt niet alleen productietijd, maar ook een fors deel van de robots en lasplekken die anders nodig zouden zijn.
Apple paste in 2008 een vergelijkbaar principe toe met de unibody-behuizing van de MacBook: in plaats van een frame op te bouwen uit meerdere samengevoegde onderdelen, wordt de behuizing uit één blok aluminium gefreesd. Dat levert een stijvere, preciezere constructie op met minder kans op speling of kraken.
Een ouder maar illustratief voorbeeld is IKEA's platte verpakking, ofwel flatpack. Volgens de bekende bedrijfsanekdote haalde IKEA-medewerker Gillis Lundgren in 1956 de poten van een tafel los om hem in de kofferbak van zijn auto te krijgen, en realiseerde hij zich dat dit principe — producten plat en demontabel ontwerpen — transportkosten enorm kon verlagen. Dat inzicht is sindsdien een centraal onderdeel geworden van hoe IKEA meubels ontwerpt.
Hoe ver is de techniek?
DFM is geen opkomende technologie waarvan we nog moeten afwachten of ze gaat werken; het is een volwassen, breed geaccepteerde methodologie die al tientallen jaren in de zware industrie, elektronica en automotive wordt toegepast. De grote verandering zit hem tegenwoordig niet in het idee zelf, maar in de gereedschappen eromheen: steeds krachtigere simulatiesoftware, AI-ondersteund generative design, en digital twins — digitale kopieën van een fabriek of product waarmee je productieprocessen virtueel kunt testen voordat er iets fysieks wordt gemaakt.
Toch blijven er obstakels. Veel bedrijven werken nog met een verkokerde structuur, waarbij ontwerpafdelingen en productieafdelingen pas laat in het proces met elkaar praten — precies wat DFM probeert te voorkomen. Bestaande producten (legacy-ontwerpen) zijn bovendien vaak lastig aan te passen zonder complete herontwikkeling, omdat productielijnen, gereedschappen en leveranciers eromheen zijn ingericht. Ook maken complexe, internationale toeleveringsketens het lastig om snel te schakelen: een ontwerpwijziging die in één fabriek voordelig is, kan bij een andere leverancier juist duurder uitpakken. Nieuwere productietechnieken zoals grootschalig 3D-printen zijn intussen wel volwassener geworden, maar blijven voor hoge productievolumes vaak nog duurder dan traditionele methoden zoals spuitgieten of stampen.
Wie werken eraan?
Op softwaregebied domineren een handvol grote spelers. Siemens levert met NX en Teamcenter platforms voor productontwerp en -beheer, Dassault Systèmes doet hetzelfde met CATIA en SOLIDWORKS, PTC met Creo, en Autodesk met Fusion 360, dat onder meer generative design-functies bevat. Het eerder genoemde Boothroyd Dewhurst Inc. richt zich specifiek op DFMA-analysesoftware.
Op onderzoeksgebied speelt de Duitse Fraunhofer-Gesellschaft een grote rol, met meerdere gespecialiseerde instituten die onderzoek doen naar productietechnologie, materiaalkunde en fabrieksautomatisering. In de Verenigde Staten doet onder meer MIT onderzoek naar geavanceerde productiemethoden, en in Nederland houdt de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen van de TU Delft zich bezig met verwante onderwerpen.
Landen met een sterke traditie in de maakindustrie — met name Duitsland, de Verenigde Staten en Japan — lopen doorgaans voorop bij het toepassen van DFM-principes, simpelweg omdat hun industrieën al decennia grootschalig en precies produceren en daarom veel baat hebben bij elke efficiëntieslag.