增材制造/3D打印技术的成本建模

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在制造业务的背景下,成本估算用于控制当前流程,改进现有产品,设计未来产品并决定采用哪些新技术和设备。因此,它对于众多决策都很重要。
​成本估算的准确性和一致性至关重要,因为它决定了决策的质量,从而影响了组织的整体绩效和有效性。
·高估成本必然导致销售损失和市场商誉。·低估成本可能会导致财务短缺或亏损。

不同3D打印技术的具体成本评估。

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由于成本估算在制造业中非常重要,因此出现了大量关于成本计算方法,概念和技术的研究。

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图1:成本估算技术

在图1所示的成本估算技术分类中,针对AM提出的大多数成本模型都属于参数化成本计算技术和基于活动的成本计算技术(Di Angelo和Di Stefano 2011)。参数化成本计算技术将成本表示为通过统计方法获得的不同变量之间的数学关系。因此,这些技术不需要深入理解所研究的技术,并且可以非常普遍地指定。相比之下,基于活动的成本(ABC)模型依赖于对基本操作,组件和活动方面的过程和产品的详细了解,允许特定成本要素的归属。为了形成基于活动的成本模型,将它们相加以获得总体产品成本估算。 Alexander等人于1998年发表了开创性的AM成本模型。并属于基于活动的成本核算类别。

为了支持对先进制造技术成本的分析,出现了与生产率,质量和灵活性相关的分类。此外,在调查复杂系统中的成本时,区分结构良好的成本和不良结构成本是有用的。结构良好的成本是会计师充分理解的成本,例如原材料的成本。然而,不良结构成本是由于知识或数据的限制或缺乏会计实践而未充分理解的成本。

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图2:总产品成本

要为AM构建基于活动的成本核算类型的模型,需要执行许多步骤,本节将简要介绍这些步骤。基于活动的方法非常灵活,因此可以根据成本调查的范围和所分析的AM技术的类型调整各个步骤。这一点很重要,因为不同AM技术变体的机器操作的工作原理和模式差别很大(参见Gibson等人,2010)。

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图3:AM中基于活动的成本模型

相应地,与不同AM技术类型相关联的成本也表现出显着的变化,并且对各个变量(例如,生产量)的变化作出不同的响应。

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图4:通用AM过程中的成本调查范围

成本模型中包含三个预处理步骤,即:1.文件转换,

2.文件传输

3.机器准备。

此外,假设包括两个后处理步骤,即:

1.产品去除

2.表面处理。

假设这些成本是可测量的,并且可以分别用Cpre处理和Cpost处理来表达。

第2步:建立时间估算。

成本分析的下一步是估计AM系统执行调查的构建操作所需的构建时间。由于许多AM系统需要大量时间进行预热或冷却,在此期间机器内不会发生其他活动,因此这种持续时间应包含在构建时间估算器中。然而,正如文献中所讨论的,必须预期产品几何形状和构建组成对构建时间具有显着影响(参见,例如,Baumers等人2017)。因此,构建时间的准确估计可能是复杂的,并且对于系统和操作中包含的产品几何形状具有高度特异性。

在某些AM系统上运行良好的简单构建时间估计器基于每层处理速度恒定的假设。这种简化适用于即时处理全层的AM系统,例如基于掩模的立体平版印刷术(SLA),或者如果构建体积均匀地填充三维产品几何形状,例如在聚合物粉末床融合(PBF)系统中操作名额已满。做出这个假设,整体构建时间Tbuild可以近似如下:

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其中Tsetup是机器初始化和预热所需的时间,Tlayer是每层所需的处理时间,l是构建中的总层数,Tcool-down是系统在构建过程结束后冷却所需的时间。

第3步:计算间接成本率。

由于所描述的模型形成了基于活动的成本计算方法,因此通过构建时间将若干成本要素和活动归因于总成本。这需要计算间接成本率Ċ间接度,以每单位运营时间($ / h)产生的货币成本来衡量。由于间接成本的要素通常是按年度基础获得的,因此这些成本通过将年度成本除以每年的运营小时数来细分为小时费率。值得注意的是,这会引入容量利用率的一个方面,因为它依赖于总体时间的运行小时数。在大多数模型中,假设操作时间介于总时间的50%到90%之间。由于间接成本中包含多种成本,因此讨论三个最重要的要素具有指导意义,具体如下:

重要的是,间接成本率Ċ间接反映了AM系统和辅助系统的购买成本,例如原材料处理或拆包站。作为资本设备,这笔费用不是一次性支付,而是随着时间的推移而产生的折旧费用。在大多数研究中,使用直线折旧法,折旧期为5 – 10年。机器成本中包括的额外成本是维护费用和消耗品的成本,例如保护气体,过滤器,密封件和具有更换间隔的部件,如所研究的AM技术类型所要求的。

Ċindirect还包括运行AM系统所产生的人工成本,通常是由于专业的AM技术人员或机器操作员。有趣的是,许多AM成本模型假设技术人员一对一地操作AM系统,这意味着机器需要持续的监督和技术人员活动。还应该指出的是,劳动力成本包括雇主缴费。这意味着劳动力成本可能超过实际技术人员的工资。

间接成本率还反映了分配给AM系统运行的开销。这种开销可能来自生产本身,例如,以容纳机器所需的建筑空间或其他基础设施成本的形式。额外的管理费用是管理性的,涉及计算机设备,通信和软件许可证。一些成本模型还包括生产间接费用中的能源成本。

第4步:估算直接成本。

直接成本是与AM系统操作所需的物理输入相关的成本。对于所有制造技术,最重要的直接成本来自于该过程中使用的原材料,包括一种或多种构建材料,以及如果需要的话,牺牲性支撑材料。由于AM使用三维数字设计文件来控制过程(通常采用* .stl格式),因此通常可以通过专用软件准确估计构建卷中包含的产品和支持结构的总体积。然后,该信息可以与原材料的价格组合,通常基于来自原材料供应商的报价,以形成直接成本Cdirect估计。应该注意的是,原材料清新是某些AM技术变体的重要成本来源,因此直接成本偶尔会包括材料更新或浪费的因素。此外,某些型号还包括能源成本作为直接成本。

第5步:指定每个构建的成本和单位成本

在获得所需数据并计算上述元素之后,可以指定构建Cbuild的成本模型,包括预处理和后处理成本。

如果构建卷中包含多个部分,则将Cbuild分解为包含的单个部分的级别非常重要。在构建体积中包含的产品不同的情况下,可以通过将Cbuild乘以其体积分数来识别单元成本Cunit,i与部分i相关联,其被定义为部分i的体积V除以所有j的体积。构建中包含的部分,这样

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如果q单元包含在构建体积中并且所有q单元共享相同的几何体,意味着它们是相同设计的实例,则可以通过简单地将Cbuild除以q来进一步简化单元成本模型Cunit,

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上面已经指出,AM中的成本估算往往是特定于过程和几何的。此外,显然Cunit和Cbuild的估计成本水平由成本分析的范围决定。为确保成本估算的有用性并允许在准确性方面进行评估,因此,在成本估算的同时提供额外信息非常重要。这应该清楚地说明构建组成,机器类型和设置,重要操作参数,构建材料,容量利用程度随时间和范围在前处理和后处理步骤方面。

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图5:通用AM过程中的成本调查