如何让设计成为增材制造的价值倍增器?

   小金工        

对某物进行估价是很难的,尤其是公司生产的产品或某人设计的零件。另一方面,成本很容易计算的,我们确切知道一台机器或材料的成本。我们甚至可以对产品的开发成本进行合理的估算,因为我们可以计算出设计该产品所花费的时间,制造原型的成本,测试每个原型的成本等。


尽管这些努力为产品的开发增加了价值,但要量化该价值却具有挑战性。如果产品在市场上表现良好,那么我们知道这些努力会增加价值,但是在每个开发阶段增加多少价值都是充满未知的。


如果您上个月读了我的专栏文章,我提出了使用激光粉末床熔合(PBF)进行增材制造(AM)的简单成本方程,这是目前用于逐层制造金属零件的最受欢迎的增材制造工艺之一。虽然可能无法激发您对方程式的了解,但该方程式可帮助我们释放增材制造或增材设计(DFAM)在行业中的设计价值。


我什么意思 我的增材制造成本方程式的四个主要组成部分是材料,制造时间,机器成本和前/后处理成本。需要的材料越多,零件的成本就越高;那很容易。构建时间和机器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,但是更昂贵的机器(例如,具有多个激光器的激光PBF系统)将花费更多的操作成本并提供更快的构建速率。当然,由于再涂机需要约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增加了制造时间和后续的机器成本。这种“死时间”和相关的成本看似微不足道,但是当您分布数千个层时,它可能变得很重要。最后,根据以下内容,估计增材制造零件的前处理成本和后处理成本约为总成本的40%最近的行业平均值。



尽管较低的粉末价格和更快的制造速度非常好,但很容易看出为什么增材设计是增材制造的最佳价值乘数。


使用此模型,可以将使用激光PBF制成的金属增材制造零件的总成本估算为材料和机器成本的总和,后者是制造时间和涂层重涂时间的直接函数,所有这些都除以一减去归因于预处理/后处理的成本百分比。为了使现在的数学变得容易,让我们假设前/后处理成本为50%,以便我们简单地将材料和机器成本之和加倍以估算金属增材制造零件的总成本。


有了这个简单的方程式,就可以很容易地根据增材设计在金属AM零件成本方面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器数量或提高生产速度而进行的其他改进而带来的生产率提高。


让我们从后两个开始。如果粉末原料的成本降低了10-20%,那么材料成本也降低了10-20%。当我们应用预处理/后乘数时,这些节省直接转化为总成本,但仅与材料成本与机器成本之比成比例。例如,如果材料成本和机器成本对零件成本的贡献相同(对于像钛这样的昂贵材料可能就是这种情况),那么在应用我们的前/后处理假设后,总成本将减少5-10%,因为只有一半成本归因于物料。


相同的逻辑适用于构建速度。如果构建速度增加一倍,则构建时间(即激光曝光时间)将减少,但不会减少50%,因为我们还有重涂时间。较短的部分(较低的z高度)可能会减少45%的构建时间,而较高的部分(较高的z高度)可能只会减少30%,而不是您预期的50%或75%的节省。不幸的是,多激光PBF系统的每小时成本可能比单激光系统高50-100%,而且由于缩短的构建时间而节省的成本没有您期望的那么高。出于争论的目的,让我们说将制造速度提高一倍可将金属AM零件的机器成本节省30%。与材料一样,在应用我们的前/后处理乘数后,节省的成本与材料成本与机器成本之比成比例地转换为最终成本。


现在,增材设计如何比较?好吧,如果我们像通常那样使用增材设计对结构进行轻量化,那么我们可以减轻重量,从而降低材料成本。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机器速度。增材设计还减少了所需的支撑材料量,从而进一步降低了材料成本,制造时间和机器成本。假设预处理成本在于建造设置和准备工作,而不是非经常性工程(即设计,优化,分析),那么更少的支撑材料就意味着更少的建造准备工作。更重要的是,更少的支持意味着更少的后处理成本,因为您不会在构建后浪费太多时间来移除它们。因此,增材设计还可以降低预处理成本,降低成本乘数,节省更多成本,并进一步提高增材设计的价值。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,使用晶格结构可节省40%的重量,提供的价值是其3-4倍。


尽管较低的粉末价格和更快的制造速度非常好,但很容易看出为什么增材设计是增材制造的最佳价值乘数。增材设计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。更重要的是,增材设计是您可以控制的东西-不必由粉末供应商或机器制造商来为您降低价格。换句话说,如果您要投资增材制造,请确保投资增材设计(例如软件,工具,培训),因为它将使增材制造的价值倍增。



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