重磅干货：3D打印质量优化和成本分析

南极熊导读：在工业生产流程中，如果引入3D打印，能否..？下面这个研究报告提供了非常详细的方法流程，让你进行评估。本文1.6万字，建议收藏分享后细读。重磅推荐！

续《重磅干货：激光熔化增材制造缺陷因素汇总》

原内容出自：欧洲耗时两年、耗资210万欧元的研究项目《AM 4 Industry》
译者：北京化工大学英蓝实验室  吴怀松、何其超、程月、王皓宇、张秀、刘俊丰，指导老师 焦志伟

报告第二篇《工业4.0-质量保证和成本模型支持增材制造的广泛使用》

增材制造质量优化和成本分析

目录
1 研究项目的动机        6
2.识别需求并分析现有模型        7
2.1确定增材制造评估系统的要求        7
2.2现有模型概述        9
2.2.1全生命周期成本分析的基础        9
2.2.2现有的增材制造成本模型        10
3增材制造评估系统的开发        18
3.1可用于增材制造的成本模型        18
3.1.1成本模型计算基础的说明        19
3.1.2将计算基础汇总到成本模型中        25
3.2可用于增材制造的收益模型        26
3.2.1增材制造的基本优势        31
3.2.2利益模型的应用        40
3.3基于网络的综合成本效益工具        42
4.资料来源        51


1 研究项目的动机

增材制造工业4.0项目的主要目标是开发一个模型，该模型展示了将增材制造集成到公司的生产技术中所产生的好处。为此，既要确定成本，又要确定增材制造生产所产生的收益。

成本效益模型旨在提供一种适用于该行业的模型，并可以比较特定零件的各种生产方法。这使的公司就是否要在其生产中运用增材制造做出明智的决定。如今，这些决策通常基于不完整的信息、部分成本和不正确的判断。

使用增材制造来制造零件通常会改变供应链的多个方面。因此，很难清楚地了解可能的收益和成本。为了进行比较并考虑到所有方面，需要采用整体方法。为此，必须考虑所有影响因素。特别是对整个全生命周期的合理考虑：产品设计/工程，生产/质量，服务/售后。增材制造生产的优势有很多，例如，将功能集成到单个组件中，或在备件生产中带来新的可能性。但是，另一方面，该技术的实施成本很高，有时还需要更长的生产时间。

由于不可能仅通过传统的成本比较来评估增材制造的优势，因此必须开发一种新的通用模型，该模型将整个全生命周期内产生的成本与技术优势进行比较。这种知识使公司可以获得竞争优势，因为该模型减少了耗时的反复试验的需要，从而可以加快决策过程并提高决策的成功率。

此外，通过在开发模型的应用中确定增材制造的新优势，并最终通过新优势，使得该技术可以在经济上更有效地被利用。即使没有准确的数据，该模型的早期应用也已使用户能够将精力集中在有前途的案例上，从而更有效地利用资源。

2.识别需求并分析现有模型

为了建立增材制造的评估系统，首先通过调查和专家访谈确定了系统要求。此外，还对现有模型进行了分析。
2.1确定增材制造评估系统的要求
在一项关于增材制造潜在效益评估的调查中，共有107家公司参与其中并回答了此问题，这些公司主要是来自工厂、设备制造、汽车工业和电气工程等工业领域的中小型企业。这些公司大多数都雇用了50至250人。3/4的公司认为他们是价值链中的生产者。


图2. 1 使用增材制造的调查结果

不到1/2的公司已经使用增材制造。增材制造工艺主要用于生产原型。因此，尚未直接用于最终产品的生产。尚未使用增材制造工艺的公司在评估成本和生产技术潜力方面存在不确定性，目前尚未广泛使用其数据。

图2. 2 AM的经济方面调查结果

受访公司对技术的应用表现出了普遍的兴趣。除技术优势外，使用增材制造的主要原因是减少生产时间和缩短产品上市时间。特别是将新功能或其他组件集成到当前设计中，这一点引起了使用者极大的兴趣。对于大多数公司来说实施成本是障碍，即使是那些已经具有增材制造技术经验的公司，也不会从生产技术的变化中获得经济利益。调查结果证实了以下理论：公司没有完全意识到增材制造的优势，并且缺乏对整体成本的了解。

除了需要建立清晰的成本结构并揭示经济优势外，还需要与项目合作伙伴在专家访谈中确定进一步的要求。一方面，必须根据整个全生命周期确定增材制造组件的成本，以便能够评估增材制造的经济优势。另一方面，必须有几种替代技术方案的成本比较，以便评估系统的经济效率。特别地，必须考虑到增材制造释放了传统工艺无法实现的新潜力。例如更高的设计几何自由度、允许将多个产品组件组合为一个组件，从而节省了组装成本等。因此，必须开发一种合适的评估模型，尤其是针对无法直接比较各种技术变体的此类应用案例。

根据调查结果和专家访谈结果对模型要求进行了总结。成本－收益模型将主要为具有或不具有增材制造知识的制造公司的技术人员、工程师或经理创建。它应该是全面的、本身一致的、相关的且可靠的。它主要用于产品开发阶段，并作为做出决策的有效依据。成本模型的另一个重要要求是保持模型分析过程尽可能的简洁，并且易于使用。

2.2现有模型概述

为了满足需求，通过全面的文献搜索工作比较了各种模型开发方法，并从文献中识别和分析了现有的增材制造成本模型。
2.2.1全生命周期成本分析的基础
选择全生命周期成本（LCC）作为经济分析方法。LCC是战略成本管理的模型。借助LCC，可以在整个产品全生命周期中计算出储蓄的潜力。必须考虑产品全生命周期中产生的成本和收益。见解：确定了核心问题。


图2. 3 通过LCC识别核心问题

DIN 60300-3-3标准（一个德国的标准代号）提供了全生命周期成本分析的应用指南，在此用作开发成本模型的基础（德国标准化学院，2014年）。这一标准定义了产品全生命周期的六个主要阶段：概念和定义，设计和开发，生产，安装，操作和维护以及处理。

原则上，可以从产品角度或从机器角度进行成本分析。因此，第一步，将两种观点与当前问题进行了比较。

图2.4 LCC-产品角度与机器角度（2005年德国工程师协会；LINDEMANN ET AL.2013年）

在此项目进一步实施的过程中，会将与产品相关的观点作为全生命周期成本考虑的起点。这是证明AM在产品使用中有独特优势的唯一方法。原则上应考虑的阶段包括组件的概念和定义、设计和开发、实际生产以及安装、使用和维护、最后是回收。这提供了进一步考虑的框架，尤其可以用来对收益进行分类。


2.2.2现有的增材制造成本模型
以下概述了关于增材制造现有成本的考虑因素。根据DIN 60300-3-3标准，这些模型被分为产品全生命周期的各个阶段。饼形图表示研究细节的定性水平。因此，可以发现关于增材制造技术整体成本考虑的研究空白。


图2. 5 现有成本考虑因素概述

与增材制造最相关的成本模型是HOPKINSON U. DICKENS（2005）、RUFFO ET AL（2006）、LINDEMANN ET AL（2012）和LINDEMANN ET AL（2013）。Ruffo等人的那些成本模型：SCHMIDT（2015），BAUMERS ET AL。（2015）和M. BAUMERS（2016），在其下面没有详细解释过进一步的成本考虑。
以前的成本模型主要关注单个增材制造技术零件的生产成本。通常，以前的成本模型只检查全生命周期的某个方面，尤其是对生产进行了严格检查。

根据HOPKINSON U. DICKENS（2005）的成本模型，是第一个对快速成型技术是否可用于直接生产进行了经济分析的模型。该分析将增材制造的成本组成与注塑工艺进行了比较。增材制造工艺包括立体光刻，熔融沉积和激光烧结。根据每个零件的成本（细分为机器成本，工资成本和材料成本），通过不同的批次大小分析了增材制造工艺是否可以成为更适合零件生产的方法。与注射成型相比，无需工具生产和制造复杂几何形状的可能性是优势。根据Hopkinson和Dickens（2005）的成本模型，应注意的是，该模型没有考虑材料，并且与增材制造工艺相比较的注塑工艺成本尚不明确。（比照HOPKINSON U. DICKENS 2005，第31-39页）

考虑以下内容：
•直接机器成本
•间接机器成本
•机器运行成本
•材料成本
•模具成本
•生产明细

RUFFO ET AL（2006年）评估并扩展了HOPKINSON U. DICKENS（2005年）的成本模型。在该模型中，将激光烧结与注射成型进行比较。在此成本分析中，已解决并克服了上述的一些缺点。生产过程的成本分为直接成本和间接成本，直接成本主要包括材料成本，间接成本主要包括人工，机械和间接费用。一个变化是，在此模型中，工资成本被视为间接成本，但分析中不包括后处理过程。此外，与Hopkinson和Dickens（2005）的模型相反，该假设不是恒定成本函数，而是类似于锯齿形的成本函数。这种锯齿状图案会导致相当大的共同承担的费用，尤其是对于小批量的生产（参见COSTABILE ET AL（2017），第269-270页）。
    除其他外，还应考虑以下方面：
•切合实际的机器利用率
•切合实际的材料回收率
•包装密度

LINDEMANN ET AL（2012）模型考虑增材制造的整个生产过程，而不是仅仅考虑机器成本。在此，为成本估算定义了四个相关过程：制造准备、制造过程、组件清洁、后处理和改善组件性能。因此，后处理也被视为与成本相关的过程，其中包括质量控制、表面后处理以及从施工过程中移除辅助结构。（参见COSTABILE ET AL.（2017）第272页）
他们采用时间驱动的基于活动的成本计算来对生产过程进行建模。还应考虑以下方面：
•施工准备成本
•后处理成本
•时间

LINDEMANN ET AL（2013）超越了这一点，定义了一个全生命周期成本模型的需求，该模型考虑了从概念、定义到处理的整个全生命周期。从长远来看，增材制造被认为是传统制造的真正替代产品，这就是为什么要根据全生命周期成本分析来确定成本的原因。在这种方法中，生产方和消费者方均可看见成本因果关系。生产成本是根据HOPKINSON U. DICKENS（2005）和RUFFO ET AL（2006）的成本模型计算的，已经解释过了。在图2.6中，展示了此全生命周期模型的相关阶段：


图2. 6 全生命周期模型的相关阶段

主要的成本动因是设计、使用和维护以及生产阶段。因此，这些阶段的成本优化也是对整体成本效率影响最大的阶段。

在图2.7中，将RUFFO ET AL（2006）和HOPKINSON U. DICKENS（2001）的成本模型依据样品零件的生产量进行了比较。作为比较，给出了通过注射成型生产的曲线。

图2. 7 Ruffo等人的成本模型比较以及霍普金森和狄更斯（i.a.RUFFO ET AL.2006，p.1424）

HOPKINSON U. DICKENS（2001）的成本模型假设整个生产量的成本函数恒定。间接成本平均分配到所有组成部分这一事实证明了这一假设是正确的。与此相反，例如在注射成型过程中，最初的高工具成本通过生产大量部件来摊销。（HOPKINSON U.DICKENS 2001，第198页）。RUFFO ET AL（2006）模型认为，不能为低产量假设恒定成本函数，因为增材制造也必须摊销高投资成本，这主要包括机器的购置成本。此外，在这种成本模型中，高产量所产生的成本实际上是恒定的，并且比HOPKINSON U. DICKENS（2005）模型的成本高。通过考虑实际中60％的机器利用率和仅50％的材料回收率来达到这些更高的成本。该成本模型的最显著差异是成本函数的“锯齿形”，这是由于某些批次尺寸的安装空间利用率低而引起的（RUFFO ET AL 2006，第1420-1422页）。在进一步的研究中，RUFFO ET AL研究“并行生产”的成本效应，“并行生产”是指在一台机器中同时生产各种组件。在本研究中，开发了一种成本模型，用于计算通过有效安装空间填充而减少的成本（请参见RUFFO和HAGUE 2007，第1590页）。

与上述HOPKINSON和DICKENS以及RUFFO ET AL的成本模型相反，后者仅考虑制造成本的量化，即LINDEMANN ET AL希望开发一个完整的模型，通过该模型可以估算产品的全生命周期成本。为此，首先使用基于时间驱动的基于活动的成本核算（TDABC）开发了生产过程模型，该模型允许根据原因将生产过程的成本分配给各个组件。此外，除了制造成本外，还可以使用生产的前处理和后处理，分析了各种影响因素的影响，例如施工率，材料成本或投资成本对过程成本分配的影响 （参见LINDEMANN et al.2012，p.188）


然而，上面解释的LINDEMANN ET AL成本模型只是用于计算生产制造的生产成本的替代模型，其中不可能包括全生命周期的其他阶段。已经有许多方法可以计算生成制造的制造成本，但是目前整体成本的考虑仍然不完整。为了对生产制造的成本效益进行更详细的分析，必须开发成本模型，以便分别评估制造过程对产品全生命周期或整个供应链的经济影响。

总体而言，可以看出随着时间的推移，这种观点已经逐渐被认可。LINDEMANN ET AL（2013年）成本模型在全生命周期成本方面，开发了迄今为止最全面的成本模型。下图对成本模型的开发进行了定性概述：



图2.8 相关AM成本模型的概述（RUFFO ET AL.2006; LINDEMANN ET AL.2012; 2013）

通过将识别出的问题与评估模型中所确定的需求进行比较，从而确定了目标。

图2. 9 通过将问题和要求并列来确定目标

强调了高于单纯的成本分析的估值模型的需求。增材制造的潜力应以收益模型的形式进行量化。首先，借助文献搜索总结了增材制造的优势。

3增材制造评估系统的开发

根据确定的要求，开发了一种可行的增材制造评估系统，该系统包括成本和收益模型。

3.1可用于增材制造的成本模型
在全面的文献搜索中确定了成本模型的相关参数及其相互联系。从产品的角度进行计算和相关性分析，以便一方面可以在产品全生命周期中考虑产品定价，另一方面可以考虑特定产品的成本优势。

根据DIN 60300-3-3标准，确定的成本分为概念和定义、设计与开发、生产、安装、操作与维护以及处理的产品全生命周期阶段。通过汇