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【干货】3D打印成本”经济学”

时间:2018-01-31 09:17 来源:华融普瑞 作者:中国3D打印网 阅读:

无论是在常规生产过程中,还是在辅助加工操作和定制的最终用途部件方面,3D打印正在逐步进入大众生产领域。尽管3D打印的价值在生产初期并不会显现出来其优势,但是通过实际的运行计算最终会带来不同的效果。这篇文章将通过成本和投资回报率计算来帮助您了解3D打印的经济学。投资回报率(ROI)是一种评估工具,用于计算投资回报百分比。这也适用于制造技术,以帮助你确定使用3D打印设备后能够为你的生产带来多少收益。虽然3D打印机的价格可能听起来十分昂贵,但是省去“常规”产品的制造成本,比如日常人员工作成本、原型设计、模具制造成本以及机械使用损耗等,这样的3D打印机仍旧是能够节省成本,值得企业进行投资的。下面,我们通过简单的计算分析来一起了解3D打印机的投资回报率。    

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    1、计算3D打印零部件成本

    确定3D打印机投资回报率的第一步是计算每个零件的材料成本。Markforged的Eiger软件具有材料估算功能。下面我们以一个制动杆零部件样品作为案例教学,如图所示,我使用了13.16立方厘米的Onyx和17.30立方厘米的碳纤维。  

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(摩托车制动杆模型内部视图)

    在我们网站的材料版块可以看到每种材料每卷的成本和体积,依次我们可以计算出每立方厘米的价格。以Onyx为例,每卷材料当前售价为190美元(800cc),即每立方厘米0.24美元,而碳纤维材料每卷现在售价150美元(约合50cc),即每立方厘米3.00美元,用下面的公式可以确定该部件的材料成本:

    (每立方厘米塑料成本*塑料量)+(每立方厘米纤维成本*纤维量)=总成本($0.24/cc*13.16cc)+($3/cc*17.30cc)=3.16美元+51.90美元=55.06美元

    所以这个制动杆的制作总成本是55.06美元。对于了解3D打印的人来说,这个成本看起来有一点儿贵。但详细分析来看,其中大部分是连续碳纤维的成本,也就是说,这个刹车杆的强度可以媲美金属刹车杆。当然,并不是所有的零部件都需要使用碳纤维才能达到这样的强度,也可以使用高效的光纤布线降低耗材成本和减少打印时间。

    此外,Markforged3D打印机的价值之一还在于其多功能性。使用不同的纤维,你可以实现不同的材料性能。例如,玻璃纤维可以达到与碳纤维大致相同的强度,但最也会使成品变得更重和更硬。如果不考虑重量只考虑强度,那么玻璃纤维耗材的成本是每立方厘米1.50美元,也是更好的选择。使用玻璃纤维优化的相同的STL文件,最终成本会有所变化。像如下的成本计算方式:

    (每立方厘米塑料成本*塑料量)+(每立方厘米玻纤成本*玻纤量)=总成本($0.24/cc*14.07cc)+($1.50/cc*13.61cc)=3.38美元+20.42美元=23.80美元

    使用玻璃纤维进行3D打印,我们可以达到相似的材料强度,并节省31.27美元。所以确定您想要的零件属性至关重要。在实际生产过程中应该选择最合适的材料进行生产制造,这将有效帮您降低成本。不采用碳纤维填充打印零件,同样也可以满足产品所需的强度要求。尽管强度取决于几何形状,但可以使用零件的几何形状和负载条件等优化整个零件的光纤布线,已达到满足强度需求的目的。例如,如果只需要在一个平面上防止弯曲,则可使用夹芯板替代纤维填充部件。这些技术可以进一步降低成本,获得坚固,美观和精密的零件。

    2、确定替代生产的成本

    现在我已经确认使用3D打印零件的最终成本是55.06美元,也可以与其他制造方式的成本进行对比了。传统制造工艺一般通过数控铣削来制造零件,可通过第三方制造供应商估算零件成本。零件生产数量小于100个,单个成本是195.95美元;如果数量超过100个,单个成本为117.11美元。加工方式不同,成本价格不同。例如,通过传统工艺生产模具的初始成本非常高,但是一旦模具确认并进行批量生产,则部件的单个成本将是最小的。

    通过比较这两种制造方式,我们立刻可以清楚认识到3D打印是较便宜的选择,价格相差(每个零件的CNC加工成本与每个零件的印刷成本)为140.89美元。不过,还有一点儿很重要,3D打印机具有初始设备成本,而CNC加工服务仅以每个零件为基础运行,这也正是许多工程师和设计师在考量3D打印机制造成本有顾虑的地方。就像CNC加工生产一套产品的仅需要几百美元,而采购Markforged3D打印机却需要13,499美元。

    3、找出盈亏平衡点

    将每一个模型、工具或产品交给第三方机械加工,单个零部件能够节省140.89美元,你可以依次推测需要多少零件才能达到“盈亏平衡”,也就是计算要加工多少个零件的成本来抵消机器的成本。例如,您只3D打印单一零件,一套Markforged3D打印设备将约等于96个零件的成本:

    13499美元/140.89美元/个≈96个(零部件)

    4、投资回报:3D打印的价值

    96个零件看似不值得购买一台3D打印机用于自主生产,但这个简单的计算包含了很多抽象的概念。3D打印消除了每个零部件所需的设计、制造成本。之前使用同一个制动杆的注塑模具原型制造成本是2865美元,如果对该设计进行了任何修改,那么在每次设计更改时都必须包含注塑模具原型制造成本;一台3D打印机的成本只需要支付一次,而模具和原型成本都是每一次设计所必须承担的。这些间接成本以及零件制造时间无意间延长了产品开发周期,使得3D打印设备投资变得更重要。

    “我们花400美元找当地的供应商进行零件加工大概需要两周半的时间,同时我们利用周末时间3D打印制造一个零件,制造车间也认可3D打印成品的质量,或许觉得更好一些,……并且现在这个零件仍在使用中,“ArowGlobal公司新产品设计工程师JoeWalters说道。

    “通过用三种传统方法进行模具浇注的5个零件,包括做软模具的成本,我们已经看到了3D打印制造的效益。”    

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    (ArowGlobal公司使用Markforged3D打印机节省时间和金钱的对比)

    5、计算投资回报率

    投资回报率可以通过传统制造方法的设计、制作模具成本和通过3D打印机所产生的产品成本来计算得出。这是您实际生产的打印数量的函数-如果您购买的打印机只打印一个部件,则不值得投资。但是,如果打印更多的零部件,在每一次产品设计迭代过程中,Markforged3D打印机就可以更省时高效地推动产品开发过程。    

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    (3D打印的软口钳可以简化制造复杂的加工零件。)

    假设您正在设计一个注塑模型,我会用利用上述的例子进行ROI数据测算。制作注塑模型成本2865美元和一个单独的零件制作成本3.46美元,如果没有专业的3D打印机,该零件的每一次设计迭代都会花费2869.46美元。因此,您的投资回报率可以用下面的公式计算:

    投资回报率=100%*(投资收益-投资成本)/投资成本。

    通过这个公式我们可以清晰的了解到使用增材制造比传统注塑加工节省了多少成本。如果我正在研究三种不同的产品,我想精细调整生产,而且我知道每个产品都会经历三次迭代,即每个产品都有九个部件,每个部件都有自己独特的模具或加工工艺。作为这一个抽象的概念,我将使用上面提供的注塑模具报价来计算投资收益。投资成本是3D打印机的成本-在这种情况下推荐使用Markforged3D打印设备生产。

    投资收益=(9×2869.46美元)-(9×55.09美元)=25329.33美元

    从而计算出相应的ROI:

    投资回报率=100%*(25,329.33美元-13,499美元)/13,499美元=87.6%

    这个数字是您从购买打印机获得的净“数量”。从9个产品样机中,Markforged企业工具包不仅收回了3D打印机的成本,同时还降低了87.6%的成本。这是3D打印真实能力的提现,不仅仅是为了原型制造,而且能够间接降低生产制造成本,提供无限创新能力。Markforged3D打印机的优点在于其能够打印出高强度的零部件:工装夹具,甚至是注塑模具,都可以大幅度地减少制造成本。它的打印速度和质量缩短了产品的开发周期,使我们的客户在不到一天的时间内即可生产出性能卓越的高性能零件。无论生产何种零件,只要产品的强度和质量能够保证,3D打印机都可以在速度和制造成本上相比较于传统机械加工更胜一筹。

(责任编辑:中国3D打印网)

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