量化分析”DfAM-为增材制造而设计”对增材制造成本的影响

增材制造-3D打印拥有成就“复杂”产品的优势,例如通过3D打印实现了更复杂的外形,将原来十几个零件简化为1个零件,体积和重量大大缩小;或者是通过3D打印实现了材料的冶金性能的提升,再或者是制造出梯度合金等材料;再或者是实现了更高的产品性能,提升了产品生命周期的附加值。

增材制造在产品性能与附加值提升上极具吸引力,但当许多制造用户面对较高的增材制造成本时仍会在潜意识中难以接受, 表面看来,除了等待增材制造设备、材料的成本逐渐降低以外似乎没有其他方式来降低增材制造成本。不过,3D科学谷观察到宾夕法尼亚州立大学工程设计与制造的学者开展的一项研究,可以量化“DfAM 为增材制造而设计”在降低增材制造成本中所起到的作用。

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DfAM-增材制造价值“放大器”

DfAM(Design for additive manufacturing,为增材制造而设计)最常见的定义是:基于增材制造技术的能力,通过形状、尺寸、层级结构和材料组成的系统综合设计最大限度提高产品性能的方法。

DfAM 在激发增材制造技术的应用潜能,提升产品性能与附加价值方面所发挥的作用已逐渐受到关注与重视。通过GE公司 LEAP 发动机3D打印燃油喷嘴这样的经典增材制造应用在航空发动机终端市场所取得的成功,我们可以清晰的感受到增材制造设计思维为产品性能提升所带来的价值。然而,要量化增材制造设计思维的作用却具有挑战性。

block 简化的成本计算模型

宾夕法尼亚州立大学工程设计与制造教授Timothy W. Simpson 给出了一种粉末床激光熔化增材制造的简化成本计算模型。

Timothy W Simpson_1来源:Timothy W. Simpson教授 / AM

这一成本计算公式有四个主要组成部分是:(1)材料(2)打印构建时间(3)3D打印设备成本(4)预处理/后处理成本。

理论上,需要的材料越多零件的成本就越高,但构建时间和设备成本之间的联系更加紧密。更长的构建时间等于更高的成本,但是更昂贵的增材制造设备的运行成本更高,例如多激光器的LPBF 设备,当然这类设备的打印速度更快。

此外,由于铺粉机需要约10秒钟才能散布新的粉末层,因此要制造的零件的最大高度也会增加制造时间以及增加相应的设备成本。这种“固定时间”和相关的成本看似微不足道,但是当一个零件需要1,000层甚至更多时,这些隐形成本就变得可观了。根据最近的行业平均水平,增材制造零件的预处理和后处理成本估计约为总成本的40%。

block 材料成本与设备成本对总成本的影响

使用以上简化的成本计算模型,可以将使用粉末床激光熔化3D打印制造的零件的总成本估算为构建时间乘以设备操作成本再加上材料成本的总和,除以1减去预处理/后处理成本的百分比。为了便于估算总成本,假设前处理/预处理成本占50%,那么材料与设备成本之和的2倍即为估算出的金属增材制造零件总成本。

有了以上这一简单的成本估算公式,就可以比较容易地根据DfAM为金属增材制造零件成本带来的节省来量化其价值。我们还可以将节省下来的费用与其他因素节省下来的费用进行比较,例如减少粉末原料的成本或通过增加激光数量或其他提高成型速度的改进所带来的生产率提高(从而节省设备成本)。 其他提高成型速度的方式包括:更高的激光功率,更大的光斑尺寸,更厚的涂层。

如果将粉末原料的成本降低10-20%,那么材料成本也将降低10-20%。当我们应用预处理/后乘数时,总成本下降的比例则会缩小,例如,如果材料成本和设备成本对零件成本的贡献相同,那么当假设前/后处理所占成本比例为50%时,总成本将只降低5-10%,因为只有一半的成本归因于材料。

block 打印速度对总成本的影响

相同的逻辑适用于构建速度。如果构建速度增加一倍(或四倍),那么构建时间(即激光曝光时间)将减少,但总成本并不会减少50%(或75%),因为还有铺粉时间。零件中较短的部分(z轴高度低)可能会减少45%(或70%)的构建时间,而较高的部分(z轴高度较高)可能只会减少30%(或60%)而不是50%或75%。

多激光增材制造系统的每小时成本可能比单激光系统高50-100%,但由于减少了构建时间而节省的成本没有期望的那么高。出于争论的目的,可以说将制造速度提高一倍可将金属增材制造零件的设备成本节省30%。 与材料成本一样,在应用前/后处理乘数后,因打印时间的减少而降低的总成本也会缩小,在这种情况下,最终成本将减少15%。

block DfAM对总成本的影响

接下来分析DfAM带来的成本节约。如果我们像通常那样使用DfAM对结构进行轻量化,那么可以通过减轻重量而降低材料成本。这也意味着更少的制造空间,从而减少了激光曝光和制造时间,降低了机器成本,而没有增加每小时的设备速度。DfAM 还通过设计优化实现了支撑材料的减少,进一步降低了材料成本、制造时间和机器成本。

Timothy W. Simpson_2来源:Timothy W. Simpson教授 / AM

假设预处理成本在于打印准备工作,而不是非重复性工程(即设计、优化、分析),那么更少的支撑材料就意味着更少的打印准备。更重要的是,更少的支持意味着更少的后处理成本,因为去除支撑的后处理时间也减少了。因此,DfAM还可以降低前/后处理成本,降低成本乘数,从而节省更多成本,并进一步提高DFAM的价值。

图中的示例显示了与采用两倍的制造速度或将粉末原料的成本降低40%相比,使用为增材制造而设计的(DfAM)晶格结构可将重量减轻40%,使总成本降低3倍至4倍。

在以上分析中可以看到,降低粉末价格、提高制造速度对降低增材制造总体成本非常有利,但也能够看到DFAM是增材制造的最佳价值乘数,DFAM同时降低了材料成本、制造时间、机器成本以及前/后处理成本的百分比,从而使节省的成本增加了很多倍。而且,面向增材制造的设计是制造商自身可控的因素,而粉末价格、打印速度、设备成本的降低则更多不易控制的外因。换言之,如果制造商希望投资增材制造技术,那么确保在面向增材制造的设计技术方面进行投资,例如投资面向增材制造设计的软件与培训,这些投入具有使增材制造价值倍增的价值。

3D科学谷Review

这项研究从增材制造成本的角度诠释了DfAM 对于增材制造的重要性,量化分析的侧重点在于DfAM 为增材制造整体制造成本下降所带来的价值倍增作用,DfAM 为下游应用产品整个生命周期中所带来的附加价值的分析不在这项研究的范围当中,但这也是制造用户引入增材制造技术时值得去深入思考与分析的。

根据3D科学谷的市场观察,专业的增材制造解决方案提供商对于站在用户制造挑战的角度上,分析增材制造在产品生命周期中带来的附加价值非常重视。例如,在注塑模具3D打印应用中,瑞士精密机床制造企业 GF 加工方案对金属增材制造技术为下游注塑企业带来的成本效益进行了详尽的研究与分析(参考《微课 l 3D打印注塑模具成本效益分析及创新性应用》)。更多DfAM 的信息请前往3D科学谷“仿真与正向设计”话题。

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