增材制造/3D打印技術的成本建模

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在制造業務的背景下,成本估算用于控制當前流程,改進現有產品,設計未來產品并決定采用哪些新技術和設備。因此,它對于眾多決策都很重要。
?成本估算的準確性和一致性至關重要,因為它決定了決策的質量,從而影響了組織的整體績效和有效性。
·高估成本必然導致銷售損失和市場商譽。·低估成本可能會導致財務短缺或虧損。

不同3D打印技術的具體成本評估。

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由于成本估算在制造業中非常重要,因此出現了大量關于成本計算方法,概念和技術的研究。

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圖1:成本估算技術

在圖1所示的成本估算技術分類中,針對AM提出的大多數成本模型都屬于參數化成本計算技術和基于活動的成本計算技術(Di Angelo和Di Stefano 2011)。參數化成本計算技術將成本表示為通過統計方法獲得的不同變量之間的數學關系。因此,這些技術不需要深入理解所研究的技術,并且可以非常普遍地指定。相比之下,基于活動的成本(ABC)模型依賴于對基本操作,組件和活動方面的過程和產品的詳細了解,允許特定成本要素的歸屬。為了形成基于活動的成本模型,將它們相加以獲得總體產品成本估算。 Alexander等人于1998年發表了開創性的AM成本模型。并屬于基于活動的成本核算類別。

為了支持對先進制造技術成本的分析,出現了與生產率,質量和靈活性相關的分類。此外,在調查復雜系統中的成本時,區分結構良好的成本和不良結構成本是有用的。結構良好的成本是會計師充分理解的成本,例如原材料的成本。然而,不良結構成本是由于知識或數據的限制或缺乏會計實踐而未充分理解的成本。

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圖2:總產品成本

要為AM構建基于活動的成本核算類型的模型,需要執行許多步驟,本節將簡要介紹這些步驟。基于活動的方法非常靈活,因此可以根據成本調查的范圍和所分析的AM技術的類型調整各個步驟。這一點很重要,因為不同AM技術變體的機器操作的工作原理和模式差別很大(參見Gibson等人,2010)。

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圖3:AM中基于活動的成本模型

相應地,與不同AM技術類型相關聯的成本也表現出顯著的變化,并且對各個變量(例如,生產量)的變化作出不同的響應。

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圖4:通用AM過程中的成本調查范圍

成本模型中包含三個預處理步驟,即:1.文件轉換,

2.文件傳輸

3.機器準備。

此外,假設包括兩個后處理步驟,即:

1.產品去除

2.表面處理。

假設這些成本是可測量的,并且可以分別用Cpre處理和Cpost處理來表達。

第2步:建立時間估算。

成本分析的下一步是估計AM系統執行調查的構建操作所需的構建時間。由于許多AM系統需要大量時間進行預熱或冷卻,在此期間機器內不會發生其他活動,因此這種持續時間應包含在構建時間估算器中。然而,正如文獻中所討論的,必須預期產品幾何形狀和構建組成對構建時間具有顯著影響(參見,例如,Baumers等人2017)。因此,構建時間的準確估計可能是復雜的,并且對于系統和操作中包含的產品幾何形狀具有高度特異性。

在某些AM系統上運行良好的簡單構建時間估計器基于每層處理速度恒定的假設。這種簡化適用于即時處理全層的AM系統,例如基于掩模的立體平版印刷術(SLA),或者如果構建體積均勻地填充三維產品幾何形狀,例如在聚合物粉末床融合(PBF)系統中操作名額已滿。做出這個假設,整體構建時間Tbuild可以近似如下:

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其中Tsetup是機器初始化和預熱所需的時間,Tlayer是每層所需的處理時間,l是構建中的總層數,Tcool-down是系統在構建過程結束后冷卻所需的時間。

第3步:計算間接成本率。

由于所描述的模型形成了基于活動的成本計算方法,因此通過構建時間將若干成本要素和活動歸因于總成本。這需要計算間接成本率?間接度,以每單位運營時間($ / h)產生的貨幣成本來衡量。由于間接成本的要素通常是按年度基礎獲得的,因此這些成本通過將年度成本除以每年的運營小時數來細分為小時費率。值得注意的是,這會引入容量利用率的一個方面,因為它依賴于總體時間的運行小時數。在大多數模型中,假設操作時間介于總時間的50%到90%之間。由于間接成本中包含多種成本,因此討論三個最重要的要素具有指導意義,具體如下:

重要的是,間接成本率?間接反映了AM系統和輔助系統的購買成本,例如原材料處理或拆包站。作為資本設備,這筆費用不是一次性支付,而是隨著時間的推移而產生的折舊費用。在大多數研究中,使用直線折舊法,折舊期為5 – 10年。機器成本中包括的額外成本是維護費用和消耗品的成本,例如保護氣體,過濾器,密封件和具有更換間隔的部件,如所研究的AM技術類型所要求的。

?indirect還包括運行AM系統所產生的人工成本,通常是由于專業的AM技術人員或機器操作員。有趣的是,許多AM成本模型假設技術人員一對一地操作AM系統,這意味著機器需要持續的監督和技術人員活動。還應該指出的是,勞動力成本包括雇主繳費。這意味著勞動力成本可能超過實際技術人員的工資。

間接成本率還反映了分配給AM系統運行的開銷。這種開銷可能來自生產本身,例如,以容納機器所需的建筑空間或其他基礎設施成本的形式。額外的管理費用是管理性的,涉及計算機設備,通信和軟件許可證。一些成本模型還包括生產間接費用中的能源成本。

第4步:估算直接成本。

直接成本是與AM系統操作所需的物理輸入相關的成本。對于所有制造技術,最重要的直接成本來自于該過程中使用的原材料,包括一種或多種構建材料,以及如果需要的話,犧牲性支撐材料。由于AM使用三維數字設計文件來控制過程(通常采用* .stl格式),因此通常可以通過專用軟件準確估計構建卷中包含的產品和支持結構的總體積。然后,該信息可以與原材料的價格組合,通常基于來自原材料供應商的報價,以形成直接成本Cdirect估計。應該注意的是,原材料清新是某些AM技術變體的重要成本來源,因此直接成本偶爾會包括材料更新或浪費的因素。此外,某些型號還包括能源成本作為直接成本。

第5步:指定每個構建的成本和單位成本

在獲得所需數據并計算上述元素之后,可以指定構建Cbuild的成本模型,包括預處理和后處理成本。

如果構建卷中包含多個部分,則將Cbuild分解為包含的單個部分的級別非常重要。在構建體積中包含的產品不同的情況下,可以通過將Cbuild乘以其體積分數來識別單元成本Cunit,i與部分i相關聯,其被定義為部分i的體積V除以所有j的體積。構建中包含的部分,這樣

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如果q單元包含在構建體積中并且所有q單元共享相同的幾何體,意味著它們是相同設計的實例,則可以通過簡單地將Cbuild除以q來進一步簡化單元成本模型Cunit,

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上面已經指出,AM中的成本估算往往是特定于過程和幾何的。此外,顯然Cunit和Cbuild的估計成本水平由成本分析的范圍決定。為確保成本估算的有用性并允許在準確性方面進行評估,因此,在成本估算的同時提供額外信息非常重要。這應該清楚地說明構建組成,機器類型和設置,重要操作參數,構建材料,容量利用程度隨時間和范圍在前處理和后處理步驟方面。

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圖5:通用AM過程中的成本調查

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