Аддитивное производство больше не используется только для производства опытных образцов. Согласно недавнему исследованию VDMA, почти 50% всех машиностроителей сейчас используют 3D-печать. Половина из них использует аддитивное производство для создания прототипов, а другая половина также для других применений, таких как серийное производство, инструменты и запасные части. Многие другие производители машин рассматривают применение. Вопрос стоимости, естественно, играет здесь решающую роль: когда стоит использовать 3D-печать?
Что такое использование аддитивных издержек производства
Структура затрат описывает соотношение затрат и выгод и поэтому является решающей для вопроса о том, имеет ли серийное производство экономический смысл или нет. Поскольку структуры затрат отличаются от традиционных и аддитивных производственных процессов, факторы затрат должны быть тщательно сопоставлены друг с другом. Первую оценку стоимости 3D-печатной продукции обычно делают на кубический сантиметр. Последующая обработка компонентов добавок также является фактором стоимости.
При использовании 3D-печати затраты в значительной степени определяются затратами на приобретение 3D-принтера, за которыми следуют затраты на материалы и трудозатраты. Однако другими факторами, такими как расходные материалы (например, газ) и стоимость энергии, можно пренебречь. Машины для производства методов селективного лазерного спекания (SLS) и лазерного плавления (SLM) являются очень капиталоемкими. Стоимость процессов на основе порошкового слоя часто сравнивают со стоимостью традиционных производственных процессов с интенсивным использованием инструментов, таких как литье под давлением и литье под давлением, или с процессами механической обработки, такими как фрезерование с ЧПУ (рисунок 1).
Подсказка для семинара
Семинар по 3D-печати в прямом цифровом производстве рассказывает о технологиях, пригодности и требованиях к 3D-печати и дает участникам обзор развития, возможностей и ограничений.
Когда стоит 3D-печать?
Несмотря на более высокие переменные издержки, использование аддитивных процессов в производстве может иметь экономический смысл, поскольку анализ постоянных издержек делает это очевидным. При классических технологиях производства постоянные затраты распределяются только на один, конкретный дизайн компонентов. Например, пресс-форма для литья под давлением может использоваться только для изготовления конкретного продукта, для которого она была разработана. Соответственно, стоимость пресс-формы должна быть рассчитана на основе количества произведенных деталей. Затраты на настройку станка или замену инструмента на литьевой машине должны быть распределены по количеству деталей, произведенных в этой производственной партии, до следующей замены. Если только одна единица произведена за партию, постоянные затраты могут намного превышать переменные затраты,так что 3D-печать дешевле, чем производство с обычными процессами.
3D-печать также обуславливается определенной степенью постоянных затрат, но их легче компенсировать различными продуктами, которые производятся в одной партии. Фактическая стоимость работ по аддитивному строительству на кубический сантиметр зависит от сложной комбинации технических параметров и условий эксплуатации машин.
Наиболее важные параметры для процессов на основе порошкового слоя:
- Машинные данные
- материалы
- Параметры строительных работ
- Данные о расходных материалах
- Оперативные расчеты
Одним из способов снижения общей стоимости аддитивного производства является изменение параметров. Поскольку машины для лазерного спекания и лазерной плавки дороги в цене, производительность машин является критическим параметром, который влияет на общие затраты. Производительность машин зависит от фактической производительности строительных работ (то есть точного объема материала изготовленных компонентов) и времени выполнения строительных работ (то есть времени, необходимого для выполнения строительных работ).
Поэтому важно знать структуру времени выполнения строительных работ в процессах на основе порошкового слоя, поскольку они являются ключом к оптимизации общих затрат.
Время выполнения включает в себя:
- Время настроить машину, загрузить 3D-файлы и удалить готовые компоненты
- Время, необходимое машине для предварительного нагрева и охлаждения при производстве добавок
- Время, необходимое лазеру для экспонирования и плавления всех компонентов поверхности
- Время, необходимое для нанесения и, при необходимости, разогрева слоев порошка
- При необходимости, время для обеспечения качества в текущих строительных работах
Подсказка к книге
Вклад поступает из специализированной книги «Аддитивное производство». Книга, написанная коллективом авторов в ETH Zurich, описывает основы и практические методы использования аддитивного производства в промышленности и предназначена для дизайнеров и разработчиков для поддержки успешного внедрения аддитивных процессов в их компаниях.
Время изготовления для процесса SLS
Если вы посмотрите на процесс SLS, фактическое время изготовления составляет от 90% до 95% от общего времени выполнения строительных работ. В течение этого времени принтер не зависит от оператора. Время изготовления состоит из предварительного нагрева машины, сборки деталей и охлаждения. Время для предварительного нагрева и охлаждения в основном постоянно для каждой строительной задачи и зависит от размера места установки соответствующего 3D-принтера. Фактическая фаза строительства занимает от 60% до 70% производственного времени, в зависимости от машины и доступного пространства. Объем конверта, также известный как ограничивающий прямоугольник, часто используется для первоначальной оценки требуемого пространства для компонента в месте установки.
При нормальной работе время строительства само по себе состоит из 50% выдержки или плавления и 50% нагрева или нанесения новых слоев порошка. Эта информация также в целом относится к процессу УУЗР, хотя в некоторых случаях проценты значительно различаются, поскольку плавление металлического порошка происходит значительно медленнее.
Ряд технических и эксплуатационных мер может снизить общую стоимость за кубический сантиметр. Технические меры со стороны производителей машин заключаются в том, чтобы сократить время экспонирования и нанесения слоев порошка, а также время предварительного нагрева и охлаждения. Это часто достигается за счет большего числа лазеров и разработки концепций для более быстрого нанесения слоев. Рисунок 3 дает представление о том, насколько значительно время производства может варьироваться в зависимости от машины.
Когда стоит иметь свой собственный 3D-принтер
Сама компания инвестирует в машины для производства добавок и управляет ими напрямую. Для того, чтобы машины окупились, необходима высокая загрузка производственных мощностей. Следующие меры также должны быть приняты во внимание, чтобы общие расходы были как можно ниже:
- 1. Обеспечение плотного заполнения места установки компонентами
- 2. Максимизация доли фактического времени экспозиции в общем времени пропускной способности, например, благодаря высокой загрузке пространства.
При лазерном плавлении плотная упаковка может иметь место только в горизонтальной плоскости машины, поскольку компоненты не могут быть изготовлены в несколько слоев друг над другом с помощью этого метода. Процесс лазерного спекания обеспечивает наилучшую экономию, если компоненты плотно упакованы в несколько слоев один над другим. Рисунок 4 иллюстрирует влияние высокой плотности упаковки работ на единицу стоимости небольшого рычага. Можно увидеть, как общие затраты в значительной степени стабилизируются после заполнения первого слоя.
Соответственно, для эффективной работы машин для лазерного спекания должен быть достигнут по меньшей мере один плотный уровень компонентов. Разрывы в графике являются следствием того факта, что каждый раз, когда запускается новый слой, общее время применения слоев в задании на строительство увеличивается. Однако из-за формы компонентов высота компонентов в направлении сборки (направление z) обычно не использует все доступное горизонтальное пространство (направление xy) машины. Соответственно, увеличение времени и стоимости наращивания не полностью распределяется на новый плотно упакованный горизонтальный слой. Поэтому рекомендуется, чтобы высота конструкции планировалась как можно более постоянной для всей строительной работы. Отдельные области, которые достигают более высоких координат zвызывать излишнюю стоимость строительных работ.
Рынок труда
Дизайнеры 3D-печати хотели как никогда
Кроме того, в 3D-печати необходимо сопоставлять факторы времени и качества компонентов, поскольку более высокое качество всегда означает увеличение затрат времени на производство. Решающими факторами здесь являются выбранные параметры, такие как толщина слоя. Меньшая толщина слоя обеспечивает большую точность деталей и лучшее качество поверхности, но требует большего времени на производство и, таким образом, увеличивает общие затраты. Особенно при лазерном спекании фактор рециркуляции порошка также играет важную роль в стоимости строительства. Чем выше доля вторичного порошка, тем дешевле строительные работы. Слишком высокая доля отработанного порошка может повлиять на сыпучесть и ухудшить качество конструкции или даже привести к дефектам в изготовленных компонентах.
Когда стоит искать 3D печатные части снаружи
В качестве альтернативы собственному производству пользователь также может приобрести детали с 3D-печатью у поставщиков услуг. Изначально это самый простой способ для компании получить доступ к технологиям аддитивного производства. Это не требует каких-либо специальных знаний о работе машин, а также не требует крупных капиталовложений. Решение о покупке у поставщика услуг также означает снижение рисков и колебаний цен на продукцию для компании, поскольку ответственность за эффективное использование 3D-принтера лежит на поставщике.
Цены на внешние закупки зависят от общего объема материала заказа, а также от влияния формы компонента на использование пространства. Например, обширные легкие конструкции могут занимать много места на строительной доске, даже если они имеют небольшой объем материала. Заказы с большим объемом материала и более высокой плотностью упаковки достигают более низких ценовых предложений, потому что они упрощают работу машин у поставщика.
Что вы должны рассмотреть с поставщиками услуг 3D-печати
Согласно исследованию, проведенному в 2014 году, для поставщиков услуг 3D-печати можно определить две разные ценовые стратегии. В исследовании сравниваются 21 предложения от разных поставщиков услуг по всему миру, и они делятся на две категории:
Категория А (фиолетовый эллипс):
Поставщики услуг 3D-печати берут аналогичные цены за см³ для количеств 1 и 100. Поставщики в категории A, вероятно, захотят обеспечить оптимальное использование своего аппарата путем объединения заказов различных клиентов. Это позволяет поставщикам услуг предлагать стабильные цены за кубический сантиметр.
Категория B (зеленый эллипс):
Поставщики услуг 3D-печати взимают более высокие цены за небольшие количества (от 5 до 10 евро за см³), чем за большие количества (от 0,5 до 1 евро за см³). Эти поставщики услуг, очевидно, отдают приоритет быстрой доставке и не суммируют или только подчиняют заказы. Результирующая ситуация с затратами больше похожа на ситуацию, которая возникла бы, если бы компания произвела собственное оборудование, то есть обратно пропорционально количеству заказанного объема компонентов. Если вы знаете об этих стратегиях поставщиков услуг, вы можете лучше спланировать, где выгодно делать покупки.
Больше информации о книге специалистов
Подсказка для семинара
Семинар по 3D-печати в прямом цифровом производстве рассказывает о технологиях, пригодности и требованиях к 3D-печати и дает участникам обзор развития, возможностей и ограничений.
3D печать
Исследователи впервые печатают комплектные электродвигатели
* * Доктор Инж. Кристоф Клан, руководитель отдела pdz в ETH Zurich, профессор, доктор технических наук Мирко Мебольдт, ведущий профессор ETH Zurich