工业化AM:一个简单的成本方程

　　【机床商务网栏目 市场分析】尽管增材制造技术有许多优势，但是它在工业上仍然难以与传统的减法和成形技术一起，在工业中获得更大的吸引力。阻碍AM应用的大障碍之一是成本。原料和设备的价格持续下降，而问题是，将现有的金属部件与AM金属部件进行比较，至少有8 / 10的情况，是对现有部件有利的。
 

　　要理解为什么会这样，我们需要理解材料、设备和后处理成本是如何驱动金属零件的成本的。这样，我们就可以深入了解驱动AM业务的因素，为了便于说明，我们可以开发一个简单的方程式来估算使用激光粉底熔合技术制造的金属AM部件的成本——这是许多公司目前正试图工业化的AM技术。首先，我们需要调和这样一个事实，即金属粉末原料每磅(或公斤)比同等的棒材原料贵5-10倍。因此，为了使材料成本具有竞争力，现有部件的买飞比(所购材料的数量与成品部分的材料数量)至少需要5：1(或10：1)。换句话说，如果现有的零件是用减法制造的，那么80%-90%的采购材料必须以废料的形式结束，这样AM零件的直接材料成本才能与之媲美。当然，另一种可能性是，我们可以自由地重新设计和轻量化AM部件，但情况并不总是如此。
 

　　第二大因素是激光粉末床融合(PBF)系统的每小时运行成本。在过去五年里，随着新技术的引入，设备的成本开始大幅下降。例如，3D systems、EOS、GE、Renishaw、SLM Solutions等公司的单激光PBF系统现在的售价为30万至60万美元(约为过去价格的1/3到1/3)，而Xact Metal等初创公司的入门级单激光PBF系统售价为10万美元。如果将成本分摊到系统的使用寿命(通常为5-7年，4000 - 6000小时/年)，那么大多数激光PBF系统的每小时运行成本低至10- 30美元/小时，Xact Metal的每小时运行成本为3- 5美元/小时，这看起来似乎非常合理。
 

　　如果每小时的运营成本与中小型铣床持平，那么金属AM为何如此昂贵？这是因为大多数单激光PBF系统的构建速度为0.5-2 in3/hr。双激光和四激光PBF系统的建造速度将是现在的两到四倍，但多激光系统的造价在100万美元到200万美元之间，因此需要75- 100美元/小时的运营费用。这完全可以与铣床相媲美。然而，没有任何激光PBF系统以报告的速度运行，就像汽车没有显示汽油里程一样。幸运的是，激光PBF系统的平均性能要好于汽车燃油的经济性，我们发现将公布的建造率降低20%(即建造率是报告的80%)，完全是一个合理的估值。但是你要记住，该构建速率仅用于激光曝光时间;每一层涂新粉所需的时间需要添加到构建的时间中。这很容易计算:只需将大建筑高度除以层厚度，然后将层数乘以重新粉刷每一层的时间，在目前的PBF系统中，重新粉刷每一层通常需要6-12秒。
 

　　后一块简单的成本方程，是后处理成本。因为在激光PBF系统上没有金属AM部件，可以在建成后使用。粉末去除，应力消除，零件从构建板去除，热处理，机加工，精加工，检验等，可以使一个金属AM零件的成本增加两倍或三倍，而且很容易在计划中再增加一周或两到三个月，这取决于内部和外包的情况。
 

　　用2019年Wohlers报告中的一项调查结果，来估计这些额外的后处理步骤的成本，结果我们发现AM零件的前后处理成本占零件成本的近40%，印刷成本占总成本的60%(准确的说是59.2%)。尽管人们对于这些百分比在工艺、材料和零件上的差异有相当大的讨论，但事实却是，如果我们能够估计打印零件的成本，那么我们就可以通过将印刷成本除以60%(或减去我们想要归因于前/后处理的任何百分比)来估算总成本。
 

　　那么印刷成本到底是多少呢?一旦我们知道了零件的体积和制造高度以及材料——就不需要CAD模型，这可能会让很多人感到惊讶。我们用零件的体积除以材料报告的建造率(递减80%)，这给我们提供了以秒为单位的激光曝光时间。接下来，我们将大建筑高度除以材料的层厚，然后乘以6-12秒来获得花费的时间(平均为8秒)。然后将这两者相加，我们就可以得到构建时间，然后乘以每小时的操作成本，来获得机械成本。
 

　　对于材料成本，我们只需将零件体积乘以材料密度和每磅(或千克)该材料粉末原料的成本。如果我们再加上材料和设备成本，就能得到打印零件的成本，然后除以0.60(或者简单地乘以2，如果我们认为预处理/后处理是总成本的50%)，得到终的总成本。下面的附图中有一个方程的例子。
 

 

　　虽然过于简化了AM的许多方面，但它为估算金属AM部件的成本，提供了一个很好的起点。
 

　　(原标题：Industrializing AM: A Simple Cost Equation)