Kdy Stojí Za To Použít 3D Tisk?

Výroba aditiv se již nepoužívá pouze pro výrobu prototypů. Podle nedávné studie VDMA nyní téměř 50% všech výrobců strojů používá 3D tisk. Polovina z nich používá aditivní výrobu pro prototypování a druhá polovina také pro jiné aplikace, jako je sériová výroba, nářadí a náhradní díly. Aplikace zvažuje mnoho dalších výrobců strojů. Otázka nákladů zde hraje přirozeně rozhodující roli: Kdy stojí za to použít 3D tisk?

Jaké je použití výrobních nákladů na aditiva

Struktura nákladů popisuje poměr nákladů a přínosů, a je proto rozhodující pro otázku, zda má sériová výroba ekonomický význam nebo ne. Protože struktury nákladů se liší od konvenčních a aditivních výrobních procesů, musí být nákladové faktory pečlivě zváženy proti sobě. První odhad nákladů na 3D tištěné produkty se obvykle provádí na vyrobený centimetr krychlový. Následným zpracováním aditivních složek je také nákladovým faktorem.

Při použití 3D tisku jsou náklady z velké části určeny pořizovacími náklady 3D tiskárny, následovanými náklady na materiál a mzdové náklady. Ostatní faktory, jako jsou spotřební materiál (např. Plyn) a náklady na energii, však lze zanedbat. Stroje pro výrobní metody selektivní laserové slinování (SLS) a laserové tavení (SLM) jsou velmi kapitálově náročné. Náklady na procesy založené na práškovém loži se často porovnávají s náklady na konvenční výrobní procesy náročné na nástroje, jako je vstřikovací lití a lití do formy, nebo s procesy obrábění, jako je CNC frézování (obrázek 1).

Tip semináře

Seminář 3D tisk v přímé digitální produkci přináší technologii, vhodnost a požadavky 3D tisku a dává účastníkům přehled o vývoji, možnostech a limitech.

Kdy se 3D tisk vyplatí?

Navzdory vyšším variabilním nákladům může mít použití aditivních procesů ve výrobě ekonomický význam, jak jasně ukazuje pohled na fixní náklady. U klasických výrobních technik jsou fixní náklady rozděleny pouze na jeden konkrétní konstrukční prvek. Forma pro tlakové lití lze například použít pouze k výrobě specifického produktu, pro který byla vyvinuta. V souladu s tím musí být cena formy vypočtena na základě počtu vyrobených dílů. Náklady na zřízení obráběcího stroje nebo na výměnu nástrojů na vstřikovacím stroji musí být rozděleny mezi počet dílů vyrobených v této výrobní šarži až do příští výměny. Pokud je vyrobeno pouze několik kusů na šarži, mohou fixní náklady výrazně překročit variabilní náklady,takže 3D tisk je levnější než výroba s konvenčními procesy.

3D tisk podléhá rovněž určitému stupni fixních nákladů, ale tyto mohou být snáze kompenzovány různými výrobky, které jsou vyráběny v jedné dávce. Skutečné náklady na aditivní konstrukční práci na centimetr krychlový závisí na složité kombinaci technických parametrů a provozních podmínek strojů.

Nejdůležitější parametry pro procesy založené na práškovém loži:

• Data stroje
• materiály
• Parametry stavební práce
• Spotřební údaje
• Firemní kalkulace

Jedním ze způsobů, jak snížit celkové náklady na výrobu aditiv, je změna parametrů. Vzhledem k tomu, že laserové slinování a laserové tavicí stroje jsou drahé, je produktivita strojů kritickým parametrem, který ovlivňuje celkové náklady. Produktivita strojů je výsledkem podílu skutečného výkonu stavební práce (tj. Přesného objemu materiálu vyrobených součástí) a doby výkonu stavební práce (tj. Času potřebného k provedení stavební práce).

Je proto důležité znát strukturu dodací lhůty stavební práce v procesech založených na práškovém loži, protože jsou klíčem k optimalizaci celkových nákladů.

Dodací lhůta zahrnuje:

• Je čas nastavit stroj, načíst 3D soubory a odstranit hotové komponenty
• Čas, který stroj potřebuje pro předehřívání a chlazení v aditivní výrobě
• Doba, po kterou musí laser vystavit a roztavit všechny povrchy součástí
• Doba, kterou je třeba nanést a případně zahřát práškové vrstvy
• V případě potřeby čas na zajištění kvality v probíhající stavební práci

Knižní tip

Příspěvek pochází z odborné knihy „Aditivní výroba“. Kniha týmu autorů na ETH v Curychu popisuje základní a praktické metody použití aditivní výroby v průmyslu a je zaměřena na designéry a vývojáře, aby podpořili úspěšnou implementaci aditivních procesů ve svých společnostech.

Výrobní čas pro proces SLS

Pokud se podíváte na proces SLS, skutečná doba výroby tvoří asi 90% až 95% celkové doby výroby stavební práce. Během této doby je tiskárna nezávislá na operátorovi. Výrobní čas spočívá v předehřátí stroje, sestavení součástí a ochlazení. Časy pro předehřívání a chlazení jsou do značné míry konstantní pro každou konstrukční úlohu a závisí na velikosti instalačního prostoru příslušné 3D tiskárny. Skutečná fáze výstavby zabírá přibližně 60% až 70% času výroby v závislosti na využití stroje a prostoru. Objem obálky, také známý jako ohraničovací rámeček, se často používá pro počáteční odhad požadavku na prostor komponenty v instalačním prostoru.

V normálním provozu samotná doba výstavby sestává z 50% expozice nebo tání a 50% zahřátí nebo nanesení nových práškových vrstev. Tato informace se obecně vztahuje také na proces SLM, i když se procenta v některých případech výrazně liší, protože tavení kovového prášku probíhá podstatně pomaleji.

Celkové technické a provozní opatření může snížit celkové náklady na centimetr krychlový. Technickými opatřeními výrobců strojů je zkrácení doby vystavení a nanášení práškových vrstev, jakož i doby předehřívání a ochlazování. Toho je často dosaženo větším počtem laserů a vývojem konceptů pro rychlejší použití vrstev. Obrázek 3 poskytuje dojem, jak významně se může doba výroby lišit v závislosti na stroji.

Když stojí za to mít vlastní 3D tiskárnu

Samotná společnost investuje do aditivních výrobních strojů a přímo je provozuje. Aby se stroje vyplatily, je nutné vysoké využití kapacity. Následující opatření by měla být rovněž zohledněna, aby byly celkové náklady co nejnižší:

• 1. Zajištění těsného vyplnění instalačního prostoru komponentami
• 2. Maximalizace podílu skutečné doby expozice na celkové době výkonu, například díky vysokému využití prostoru.

Při laserovém tavení může husté balení probíhat pouze na horizontální rovině stroje, protože komponenty nemohou být tímto způsobem vyrobeny ve více vrstvách na sobě. Proces laserového slinování dosahuje nejlepší hospodárnosti, pokud jsou komponenty pevně zabaleny do několika vrstev nad sebou. Obrázek 4 ilustruje dopad hustoty balení při vytváření úlohy na jednotkovou cenu malé páky. Je vidět, jak se celkové náklady do značné míry stabilizují po naplnění první vrstvy.

V souladu s tím by měla být dosažena alespoň jedna hustá úroveň součástí pro efektivní provoz laserových slinovacích strojů. Diskontinuity v grafu vyplývají ze skutečnosti, že při každém spuštění nové vrstvy se zvyšuje celkový čas pro aplikaci vrstev ve stavební úloze. Vzhledem k tvaru součástí však výška součástí ve směru montáže (směr z) obvykle nevyužívá celý dostupný horizontální prostor (směr xy) stroje. V souladu s tím není zvýšení času a nákladů na vybudování zcela distribuováno do nové hustě zabalené horizontální vrstvy. Proto se doporučuje, aby výška stavby byla plánována co nejkonstantněji pro celou stavební práci. Jednotlivé oblasti, které dosáhnou vyšších souřadnic zzpůsobit zbytečné zvýšení nákladů na stavební práce.

Trh práce

Návrháři 3D tisku chtěli jako nikdy předtím

Kromě toho je třeba při 3D tisku zvážit faktory času a kvality součástí, protože vyšší kvalita vždy znamená zvýšené výdaje na výrobu. Rozhodujícími faktory jsou zde vybrané parametry, například tloušťka vrstvy. Menší tloušťky vrstvy umožňují větší přesnost detailů a lepší kvalitu povrchu, vyžadují však více času na výrobu a tím zvyšují celkové náklady. Zejména v laserovém slinování hraje faktor recyklace prášku důležitou roli ve stavebních nákladech. Čím vyšší je podíl recyklovaného odpadního prášku, tím levnější je stavební práce. Příliš vysoký podíl odpadního prášku může ovlivnit tekutost a zhoršit kvalitu konstrukce nebo dokonce vést k defektům vyráběných součástí.

Když stojí za to externě obstarávat 3D tištěné součásti

Jako alternativu k vlastní produkci si uživatel může také zakoupit 3D-potištěné díly od poskytovatelů služeb. Zpočátku je to nejjednodušší způsob, jak společnost získat přístup k aditivním výrobním technologiím. Nevyžaduje žádné zvláštní znalosti o provozu strojů a také žádné velké investice předem. Rozhodnutí o nákupu od poskytovatele služeb také znamená nižší rizika a kolísání cen ve výrobě pro společnost, protože za účinné používání 3D tiskárny odpovídá dodavatel.

Ceny za externí nákupy závisí na celkovém objemu materiálu zakázky a na vlivu tvaru součásti na využití prostoru. Například rozlehlé lehké konstrukce mohou zabrat hodně místa na desce, i když mají jen malý objem materiálu. Objednávky s větším objemem materiálu a vyšší hustotou balení dosahují nižších cenových nabídek, protože zjednodušují provoz strojů u dodavatele.

Co byste měli zvážit u poskytovatelů 3D tiskových služeb

Podle studie z roku 2014 lze pro poskytovatele 3D tiskových služeb identifikovat dvě různé cenové strategie. Studie porovnává 21 nabídek od různých poskytovatelů služeb po celém světě a dělí je do dvou kategorií:

Kategorie A (fialová elipsa):

Poskytovatelé 3D tiskových služeb účtují podobné ceny za cm³ za množství 1 a 100. Dodavatelé v kategorii A pravděpodobně chtějí zajistit, aby prostor, který mají k dispozici pro své stroje, byl optimální kombinací objednávek různých zákazníků. To umožňuje poskytovatelům služeb nabízet stabilní ceny za centimetr krychlový.

Kategorie B (zelená elipsa):

Poskytovatelé 3D tiskových služeb účtují vyšší ceny za malá množství (mezi 5 a 10 EUR za cm³) než za větší množství (mezi 0,5 a 1 EUR za cm³). Tito poskytovatelé služeb evidentně upřednostňují rychlé dodání a nesčítají ani podřízené objednávky. Výsledná nákladová situace je více podobná situaci, která by nastala u vlastní výroby společnosti, tj. Nepřímo úměrná množství objednaného objemu komponenty. Pokud víte o těchto strategiích poskytovatelů služeb, můžete lépe naplánovat, kde je výhodné nakupovat.

Více informací o odborné knize

Tip semináře

Seminář 3D tisk v přímé digitální produkci přináší technologii, vhodnost a požadavky 3D tisku a dává účastníkům přehled o vývoji, možnostech a limitech.

3D tisk

Vědci poprvé tisknou kompletní elektromotory

* * Dr.-Ing. Christoph Klahn, vedoucí pdz v ETH Curych, Prof. Dr.-Ing. Mirko Meboldt, vedoucí profesor ETH Curych