Millal Tasub 3D-printimist Kasutada?

2023 Autor: Hannah Pearcy | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-08-25 03:37

Lisandite tootmist ei kasutata enam ainult prototüüpide tootmiseks. Värske VDMA uuringu kohaselt kasutab peaaegu 3D% kõigist masinaehitajatest 3D-printimist. Pooled neist kasutavad prototüüpide valmistamiseks lisaainete tootmist ja teine pool ka muude rakenduste jaoks, nagu seeriatootmine, tööriistad ja varuosad. Paljud teised masinaehitajad kaaluvad rakendust. Kulude küsimus mängib siin loomulikult määravat rolli: millal tasub kasutada 3D-printimist?

Kui palju söödalisandi kasutamine maksab

Kulustruktuur kirjeldab kulude ja tulude suhet ning on seetõttu otsustav küsimuses, kas seeriatootmine on majanduslik mõte või mitte. Kuna kulustruktuurid erinevad tavapärastest ja lisaainete valmistamisprotsessidest, tuleb kulutegureid üksteisega hoolikalt kaaluda. 3D-trükitud toodete esimene kalkulatsioon tehakse tavaliselt toodetud kuupsentimeetri kohta. Lisandikomponentide järeltöötlus on samuti kulutegur.

3D-printimise kasutamisel määravad kulud suuresti 3D-printeri soetamiskulud, millele järgnevad materjalide ja tööjõukulud. Kuid muid tegureid, näiteks tarbekaubad (nt gaas) ja energiakulud, võib tähelepanuta jätta. Valikulise laseriga paagutamise (SLS) ja laseriga sulatamise (SLM) tootmismeetodite masinad on väga kapitalimahukad. Pulbervoodil põhinevate protsesside maksumust võrreldakse sageli tööriistamahukate tavapäraste tootmisprotsesside, nagu survevaluseadmed ja stantsvormid, või töötlemisprotsessidega, näiteks CNC-jahvatamine (joonis 1).

Seminari nipp

Seminar 3D-printimine otseses digitaalses tootmises tutvustab 3D-printimise tehnoloogiat, sobivust ja nõudeid ning annab osalejatele ülevaate arengutest, võimalustest ja piiridest.

Millal on 3D-printimine väärt?

Vaatamata kõrgematele muutuvkuludele võib lisaprotsesside kasutamine tootmises olla majanduslikult mõistlik, kuna püsikulude uurimine teeb selle selgeks. Klassikaliste valmistamismeetodite korral jaotatakse püsikulud ainult ühe konkreetse komponendi kujunduse peale. Näiteks võib survevaluvormi kasutada ainult selle konkreetse toote valmistamiseks, mille jaoks see on välja töötatud. Vastavalt sellele tuleb vormi maksumus arvutada toodetud osade arvu põhjal. Survevormimismasinal tööpinkide seadistamise või tööriistade vahetamise kulud tuleb jaotada selles tootmispartiis toodetud osade arvu järgi kuni järgmise üleminekuni. Kui ühe partii kohta toodetakse ainult paar ühikut, võivad püsikulud tunduvalt ületada muutuvkulusid,nii et 3D-printimine on odavam kui tavapäraste protsessidega tootmine.

3D-printimisega kaasnevad ka teatavad püsikulud, kuid neid saab hõlpsamini korvata erinevate toodetega, mida toodetakse ühes partiis. Lisanduva ehitustöö tegelik maksumus kuupsentimeetri kohta sõltub tehniliste parameetrite ja masinate töötingimuste keerukast kombinatsioonist.

Pulbervoodil põhinevate protsesside kõige olulisemad parameetrid:

• Masina andmed
• materjalid
• Ehitustööde parameetrid
• Tarbekaupade andmed
• Operatiivarvutused

Üks võimalus söödalisandite valmistamise kogukulude vähendamiseks on parameetrite muutmine. Kuna laserpaagutamist ja lasersulatusmasinaid on kallis osta, on masinate tootlikkus kriitiline parameeter, mis mõjutab kogukulusid. Masinate tootlikkus tuleneb ehitustöö tegeliku läbilaskevõime (s.o valmistatud komponentide täpse materjalimahu) ja ehitustööde läbilaskeaja (st ehitustööde tegemiseks vajaliku aja) jagatud väärtusest.

Seetõttu on pulbervoodipõhistes protsessides oluline teada ehitustööde läbilaskeaja struktuuri, kuna need on võtmeks üldkulude optimeerimisel.

Läbiviimise aeg sisaldab:

• Aeg masina seadistamiseks, 3D-failide laadimiseks ja valmiskomponentide eemaldamiseks
• Aeg, mis masin vajab lisaainete valmistamiseks eelsoojendamiseks ja jahutamiseks
• Aeg, mille laser vajab kõigi komponentide pindade paljastamiseks ja sulatamiseks
• Pulbri kihtide pealekandmiseks ja vajadusel soojendamiseks kuluv aeg
• Vajadusel aeg käimasolevatel ehitustöödel kvaliteedi tagamiseks

Raamatu näpunäide

Kaastöö tuleb erialaraamatust "Lisandite tootmine". ETH Zürichi autorimeeskonna raamat kirjeldab söödalisandite valmistamise põhitõdesid ja praktikale orienteeritud meetodeid ning on mõeldud disaineritele ja arendajatele, et toetada lisandiprotsesside edukat rakendamist oma ettevõtetes.

SLS-protsessi valmistamise aeg

Kui vaadata SLS-i protsessi, siis tegelik valmistamisaeg moodustab umbes 90–95% ehitustööde kogukestvusajast. Selle aja jooksul on printer operaatorist sõltumatu. Valmistamisaeg koosneb masina eelsoojendusest, osade ehitamisest ja jahutamisest. Eelsoojenduse ja jahutamise ajad on iga ehitustöö puhul suuresti konstantsed ja sõltuvad vastava 3D-printeri paigaldusruumi suurusest. Ehituse tegelik etapp võtab sõltuvalt masinast ja ruumi kasutamisest umbes 60–70% tootmisajast. Ümbrise mahtu, mida nimetatakse ka piirdekarbiks, kasutatakse sageli paigaldusruumi komponendi ruumivajaduse esialgseks hindamiseks.

Normaalse töö korral koosneb ehitusaeg iseenesest 50% kokkupuutest või sulamisest ja 50% kuumutamisest või uute pulberkihtide pealekandmisest. See teave kehtib üldiselt ka SLM-protsessi kohta, kuigi protsendimäärad erinevad mõnel juhul märkimisväärselt, kuna metallipulbri sulamine toimub oluliselt aeglasemalt.

Mitmed tehnilised ja operatiivmeetmed võivad vähendada kogumaksumust kuupsentimeetri kohta. Masinatootjate tehnilised meetmed on pulbrikihide paljastamise ja pealekandmise aja, samuti eelkuumutamise ja jahutamise aja vähendamine. Sageli saavutatakse see suurema arvu laserite ja kihtide kiiremaks rakendamiseks mõeldud kontseptsioonide väljatöötamise kaudu. Joonis 3 annab ülevaate sellest, kui oluliselt võib tootmisaeg varieeruda sõltuvalt masinast.

Kui on väärt oma 3D-printerit

Ettevõte investeerib ise söödalisandite valmistamise masinatesse ja opereerib neid otse. Selleks, et masinad end ära tasuks, on vaja suurt võimsust kasutada. Et hoida kogukulud võimalikult madalad, tuleks arvesse võtta ka järgmisi meetmeid:

• 1. Paigalduskoha tiheda täitmise tagamine komponentidega
• 2. Tegeliku säriaja osa maksimeerimine kogu läbilaskeaja jooksul, näiteks suure ruumi kasutamise kaudu.

Laserisulatamise korral saab tihe pakkimine toimuda ainult masina horisontaalsel tasapinnal, kuna selle meetodi abil ei saa komponente toota mitmest kihist üksteise peal. Laserpaagutusprotsess saavutab parima säästlikkuse, kui komponendid on tihedalt pakitud mitmesse kihti üksteise kohal. Joonis 4 illustreerib suure ehitustööde pakkimise tiheduse mõju väikese kangi ühiku maksumusele. On näha, kuidas üldkulud stabiliseeruvad suuresti pärast esimese kihi täitmist.

Sellest tulenevalt tuleks laserpaagutusmasinate tõhusaks tööks saavutada vähemalt üks tihe komponentide tase. Katkendused graafikul tulenevad asjaolust, et iga uue kihi käivitamisel pikeneb kogu kihtide ehitamisel rakendatav aeg. Komponentide kuju tõttu ei kasuta komponentide kõrgus montaaži suunas (z suund) aga tavaliselt masina kogu saadaolevat horisontaalset ruumi (xy suund). Sellest tulenevalt ei jaotu ehituse aja ja kulude suurenemine täielikult uue tihedalt pakitud horisontaalse kihi jaoks. Seetõttu on soovitatav ehituse kõrgus kavandada võimalikult konstantseks kogu ehitustöö jaoks. Üksikud alad, mis jõuavad kõrgema z-koordinaadinipõhjustada ehitustööde kulude tarbetut suurenemist.

Tööturg

3D-printimise disainerid soovisid nagu kunagi varem

Lisaks tuleb 3D-printimisel kaaluda aja ja komponentide kvaliteedi tegureid, kuna kõrgem kvaliteet tähendab alati suurenenud ajakulu tootmises. Otsustavad tegurid on siin valitud parameetrid, näiteks kihi paksus. Väiksemad kihi paksused võimaldavad suuremat detailsust ja paremat pinna kvaliteeti, kuid vajavad rohkem valmistamisaega ja suurendavad sellega üldkulusid. Pulbri ringlussevõtu teguril on oluline roll ka ehituskuludes, eriti laseriga paagutamisel. Mida suurem on kasutatud pulbri osa, seda odavam ehitustöö tuleb. Liiga suur osa jäätmepulbrist võib mõjutada voolavust ja halvendada konstruktsiooni kvaliteeti või isegi põhjustada toodetud komponentide defekte.

Kui tasub 3D-prinditud osi hankida väliselt

Ettevõttesisese tootmise alternatiivina saab kasutaja osta teenusepakkujatelt ka 3D-prinditud osi. Esialgu on see ettevõttele lihtsaim viis pääseda juurde lisaainete tootmistehnoloogiatele. See ei nõua spetsiifilisi teadmisi masinate töö kohta ega ka suuri investeeringuid. Teenuseosutajalt ostuotsus tähendab ettevõtte jaoks ka väiksemaid riske ja tootekvaliteedi kõikumisi, kuna 3D-printeri efektiivne kasutamine on tarnija kohustus.

Välisostude hinnad sõltuvad tellimuse materjalimahust ning komponendi kuju mõjust ruumi kasutamisele. Näiteks võivad laienevad kergkonstruktsioonid ehitusplaadil võtta palju ruumi, isegi kui nende materjalimaht on vaid väike. Suurema materjalihulga ja suurema pakkimistihedusega tellimused saavutavad madalama hinnapakkumise, kuna need lihtsustavad masinate kasutamist tarnija juures.

Mida peaksite arvestama 3D-printimise teenuse pakkujatega

2014. aasta uuringu kohaselt saab 3D-printimise teenuse pakkujate jaoks tuvastada kaks erinevat hinnastrateegiat. Uuringus võrreldakse 21 pakkujat, mis pärinevad erinevatelt teenusepakkujatelt kogu maailmas, ja jagatakse need kahte kategooriasse:

A-kategooria (lilla ellips)

3D-printimisteenuse pakkujad nõuavad sarnaseid hindu ühe kuupmeetri kohta koguste 1 ja 100 korral. A-kategooria tarnijad tahavad ilmselt tagada, et nende masinate jaoks kasutatav ruum on optimaalne, ühendades erinevate klientide tellimused. See võimaldab teenusepakkujatel pakkuda stabiilseid hindu kuupsentimeetri kohta.

B-kategooria (roheline ellips)

3D-printimise teenuse pakkujad nõuavad väikeste koguste (vahemikus 5–10 eurot / cm3) kõrgemat hinda kui suuremate koguste (vahemikus 0,5–1 eurot / cm3) eest. Need teenusepakkujad eelistavad ilmselgelt kiiret kohaletoimetamist ega tee kokkuvõtet ega allu ainult tellimustele. Sellest tulenev kulusituatsioon on sarnasem olukorrale, mis tekiks siis, kui ettevõte valmistaks oma seadmeid, s.o pöördvõrdeline tellitud komponendi kogusega. Kui teate nende teenusepakkujate strateegiate kohta, saate paremini planeerida, kus on kasulik teha poodlemist.

Täpsem teave erialaraamatu kohta

Seminari nipp

Seminar 3D-printimine otseses digitaalses tootmises tutvustab 3D-printimise tehnoloogiat, sobivust ja nõudeid ning annab osalejatele ülevaate arengutest, võimalustest ja piiridest.

3D-printimine

Teadlased trükivad esimest korda täielikke elektrimootoreid

* * Dr-Ing. Christoph Klahn, Zürichi ETH pdz juhataja, prof dr-Ing. Mirko Meboldt, ETH Zürichi juhtivprofessor