添加/快速成型初期的制造成本預(yù)估

翟 蕓，羅 賢，Lockett Helen

ZHAI Yun1,LUO Xian2,Lockett Helen3

（1.中航飛機(jī)公司西安飛機(jī)分公司，西安 710089；2.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072；3.克萊菲爾德大學(xué) 工程學(xué)院,貝德福德郡MK43 0AL）

0 引言

添加成型（Additive Manufacture）簡(jiǎn)稱AM，又稱快速成型，是一系列通過增加材料的方式進(jìn)行零件成型的技術(shù)的總稱。此項(xiàng)技術(shù)通過添加材料的方式直接從CAD模型制造零件，整個(gè)零件看起來從“零”長(zhǎng)到最終形狀。此技術(shù)與傳統(tǒng)的去除材料的加工方法相反[1]。通過十幾年的發(fā)展，快速成型技術(shù)的應(yīng)用迅速增長(zhǎng)，可加工材料范圍從非金屬到金屬，原材料形態(tài)從粉末到線材，各種各樣。與傳統(tǒng)減材加工技術(shù)相比較，快速成型技術(shù)有許多顯著的優(yōu)勢(shì)[1～3]：

1）減少材料浪費(fèi)；

2）可以不用工裝，直接從CAD數(shù)據(jù)制造復(fù)雜的接近凈尺寸的零件；

3）零件顯示出好的機(jī)械性能(與鑄造比較)[4]；

4）節(jié)省制造過程中的準(zhǔn)備時(shí)間。

同時(shí)，此項(xiàng)技術(shù)的缺點(diǎn)也很明顯[2,3]：

1）與傳統(tǒng)加工方法相比較，加工速度比較慢；

2）加工過程很難控制；

3）加工過程沒有工裝，但是基座是必須的部分；

4）零件表面質(zhì)量不好，必須安排精加工。

快速成型加工的第一步是將3D模型分成多層的2D，每一個(gè)2D層都是零件的截面外形，然后在一定時(shí)間內(nèi)加工每一層，得到最終的近乎凈尺寸的零件，如圖1所示。這種加工方法可以減少原材料浪費(fèi)，降低工裝成本和減少準(zhǔn)備時(shí)間。低成本、低污染和加工形狀靈活性是這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在[5,6]。

圖1 快速成型基本加工原理

目前應(yīng)用比較廣泛的快速成型的加工材料有粉狀、線狀等，成型所用的光源有激光、氬弧焊等?？焖俪尚图夹g(shù)可以加工接近凈尺寸但是表面粗糙的零件，造成低精度的原因是零件被分層和加工過程中的變形，很多零件不能直接應(yīng)用到高精度的地方。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，在零件快速成型后都需要安排精加工[7]。作者將部分快速成型技術(shù)及所使用的材料進(jìn)行了總結(jié)，如表1所示[8,9]。

1 線弧添加快速成型簡(jiǎn)介

線弧添加快速成型（Wire and Arc Additive Manufacture）技術(shù)簡(jiǎn)稱WAAM[10]，是英國(guó)克萊菲爾德大學(xué)焊接研究中心采用的一種快速成型技術(shù)。該中心在英國(guó)空客公司的資助下進(jìn)行此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)工作。此技術(shù)應(yīng)用光弧作為熱力源、金屬絲作為原材料來成型零件。在WAAM加工過程中，通過一層一層的金屬沉積來成型3D零件，此零件可以稱為近凈尺寸零件。為了保證加工的零件能夠應(yīng)用到航空領(lǐng)域，該技術(shù)加工的零件都需要安排最終的數(shù)控精加工，使零件表面質(zhì)量符合最終的使用要求。這項(xiàng)技術(shù)將快速成型和數(shù)控加工相結(jié)合，以高成型速度加工出大型高強(qiáng)度的零件[11]。本研究的開展就基于英國(guó)克萊菲爾德大學(xué)的WAAM制造技術(shù)。

表1 快速成型技術(shù)和可加工的材料

圖2所示為WAAM的加工過程。在WAAM加工完成后，一種精加工安排是在獨(dú)立的數(shù)控設(shè)備上完成的，另一種方法是將WAAM加工設(shè)備與數(shù)控加工設(shè)備相結(jié)合，即WAAM成型加工和精加工在一臺(tái)設(shè)備上完成，這樣可以極大地減少零件的周轉(zhuǎn)和準(zhǔn)備時(shí)間，但是需要對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造。詳細(xì)改造可參考文獻(xiàn)[12]。

圖2 WAAM加工原理

2 WAAM制造初期成本模型分析

制造成本分析對(duì)于新技術(shù)的推廣具有重要的意義。本文通過對(duì)添加成型相關(guān)成本研究的分析[13,14]，以及對(duì)WAAM加工的過程進(jìn)行分析[15]，建立了一個(gè)基于WAAM加工技術(shù)的初期制造成本預(yù)估模型。此模型應(yīng)用有限的設(shè)計(jì)信息和工藝信息來實(shí)現(xiàn)預(yù)估WAAM加工成本的目的，包括最終的精加工，從而實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)的數(shù)控加工進(jìn)行比較的目的。

在本計(jì)算模型中，主要是應(yīng)用零件的設(shè)計(jì)信息、工藝信息，估算出零件的最終加工成本，模型原理及WAAM加工成本分解分別見圖3、圖4。在本W(wǎng)AAM價(jià)值成本中的運(yùn)輸成本在本模型中沒有考慮。

圖3 WAAM制造初期成本預(yù)估模型

圖4 WAAM制造初期成本分解

下面結(jié)合WAAM的加工成本分解，對(duì)各部分的詳細(xì)計(jì)算介紹如下：

2.1 材料成本

在WAAM加工過程中，材料成本由成型材料和基座材料兩部分組成。

1)成型材料成本

成型材料成本指在加工過程中沉積的材料成本。在計(jì)算時(shí)，需要考慮零件的沉積率，也可以稱為材料利用率。零件沉積率為：Ep=可用面積/成型總面積[16]，如圖5所示。一般在WAAM加工中，零件沉積率設(shè)定為80%。

圖5 零件沉積率的示意圖

因此，成型材料成本計(jì)算如下：

其中：Cdm=成型材料成本；Vdm=成型零件體積；ρwire=成型材料密度；Ep=材料沉積率；Cwire=線材材料單價(jià)。

2)基座材料成本：

基座材料是WAAM加工過程中的特殊材料需求，在WAAM加工中，零件是從無到有，需要基座對(duì)零件進(jìn)行支撐，直到成型最終零件。一般基座在加工完后會(huì)從零件上去除，有的基座也會(huì)成為零件的一部分，這取決于工藝的安排。

基座材料成本計(jì)算如下：

其中：Csm=基座材料成本；Vsm=基座材料體積；ρsm=基座材料密度；Csub=基座材料單價(jià)。

綜上所述，WAAM快速成型的材料成本為：

2.2 WAAM成型加工成本

2.2.1 設(shè)備使用成本和人工成本

在計(jì)算WAAM加工成本之前，必須首先考慮WAAM設(shè)備使用成本（Rm）和人工成本(Ro)，在WAAM加工中，使用的設(shè)備是一個(gè)六坐標(biāo)的機(jī)器人和一個(gè)集成的CMT焊機(jī)及其相關(guān)的附件。設(shè)備的價(jià)格可以從設(shè)備供應(yīng)商處獲得。按照慣例，設(shè)備的使用年限為5年，設(shè)備利用率是60%[17]，按照設(shè)備折舊曲線，設(shè)備小時(shí)使用成本如下：

其中：Cmachine=成型加工設(shè)備成本；Rm=設(shè)備小時(shí)使用成本；Ru=設(shè)備利用率；

tu=設(shè)備利用時(shí)間=使用年限×使用周數(shù)×每周使用天數(shù)×每天使用小時(shí)；對(duì)于人工小時(shí)成本（Ro），由加工所在地的人工小時(shí)成本決定。

2.2.2 零件成型成本計(jì)算

零件成型所需時(shí)間將決定成型的成本，成型時(shí)間由成型材料體積和沉積速率決定，經(jīng)過分析，零件加工成型速度可以計(jì)算如下[10]：

因此，零件成型沉積時(shí)間計(jì)算如下：

其中：Rd=零件成型速度；Dw=添加線材直徑；WFS=線材進(jìn)給速率；ρw=材料密度；tWAAM=零件成型沉積時(shí)間；Vdep=成型零件體積。因此，零件添加成型加工成本為：

2.2.3 保護(hù)氣成本

保護(hù)氣是WAAM成型加工的一個(gè)特殊特征，保護(hù)氣用來隔絕加工過程中大氣對(duì)零件的污染，同時(shí)保證一個(gè)穩(wěn)定的操作過程，這是WAAM加工過程中必須的。保護(hù)氣成本由沉積時(shí)間和氣體種類決定。保護(hù)氣成本計(jì)算如下：

其中：Rg=氣體流動(dòng)率；Cgc=每立方米氣體成本；Vgc=氣罐體積；td=成型時(shí)間。

2.2.4 精加工成本

精加工是WAAM加工技術(shù)加工出符合行業(yè)用產(chǎn)品的關(guān)鍵，因此，作為加工的一部分，精加工部分的成本也是不可忽略的。在本模型中精加工將使用數(shù)控加工，數(shù)控加工的成本計(jì)算已經(jīng)很成熟，在本模型中，應(yīng)用Boothroyd介紹的方法，詳見文獻(xiàn)[18]。在WAAM加工中，材料成本在WAAM成型加工中已經(jīng)計(jì)算，所以精加工成本計(jì)算中可以不用考慮。

在Boothroyd的方法中，將刀具損耗的成本計(jì)算在加工成本中，使用如下公式進(jìn)行成本計(jì)算：

通過考慮刀具損耗和Taylor’s刀具壽命計(jì)算公式，上述計(jì)算公式轉(zhuǎn)化為粗加工計(jì)算方法和精加工計(jì)算方法。在WAAM加工中，數(shù)控加工只屬于精加工，因此可以應(yīng)用其方法中的精加工成本的計(jì)算公式。因此，在WAAM加工中，精加工成本計(jì)算公式如下：

而其中tmc采用如下公式計(jì)算：

其中：Cm-f=精加工成本；Rm-f=設(shè)備使用率；Ro-f=人工小時(shí)成本；Am=零件的加工表面積；Vf=加工面積產(chǎn)生速率；N=Taylor 刀具壽命系數(shù)，其主要取決于刀具材料，對(duì)于高速鋼刀具n為0.125，對(duì)于碳合金刀具n為0.25。

上述具體的轉(zhuǎn)換過程可參考Boothroyd的書[18]。部分?jǐn)?shù)控加工的數(shù)據(jù)可以參考文獻(xiàn)[19]。

在數(shù)控加工中，同樣需要考慮設(shè)備使用率，人工小時(shí)成本，材料成本。在WAAM加工中，材料成本已經(jīng)在添加成型過程中已經(jīng)計(jì)算，因此不用考慮材料成本，Rm-f、Ro-f的計(jì)算方法和WAAM成型加工中的計(jì)算方法一致。

2.2.5 生產(chǎn)準(zhǔn)備成本

在WAAM加工過程中，生產(chǎn)準(zhǔn)備工作涉及傳遞程序到機(jī)器人、仿真和測(cè)試程序、準(zhǔn)備設(shè)備等工作。在精加工過程中，同樣存在生產(chǎn)準(zhǔn)備成本。如前所述，如果WAAM成型加工和精加工分開，則需要考慮兩個(gè)生產(chǎn)準(zhǔn)備成本，如果焊接設(shè)備和數(shù)控機(jī)床集成在一體，則零件不需要移動(dòng)，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間可以認(rèn)為只有一種。因此，生產(chǎn)準(zhǔn)備成本計(jì)算如下：

其中：Cwait=生產(chǎn)準(zhǔn)備成本；twait=WAAM成型加工生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，twait-f=精加工生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。

2.2.6 非生產(chǎn)工作成本

在WAAM成型加工過程中，還有一部分必須的但是不創(chuàng)造價(jià)值的時(shí)間，發(fā)生在每一次進(jìn)給速度的調(diào)整、焊接頭的進(jìn)給和收回、等待和冷卻時(shí)間。這一部分時(shí)間由零件的幾何形狀決定，和零件成型時(shí)間有關(guān)。對(duì)于WAAM成型加工，根據(jù)焊接中心專家的建議，這一部分時(shí)間可以按照零件成型加工時(shí)間的比率進(jìn)行預(yù)估，即成型加工時(shí)間的5%屬于非生產(chǎn)工作時(shí)間。

對(duì)于精加工，在Boothroyd的書[18]中也提到了非生產(chǎn)工作成本，并給出了不同狀態(tài)下的非工作時(shí)間建議。WAAM加工的非生產(chǎn)工作時(shí)間計(jì)算如下：

其中：Cn=非生產(chǎn)加工成本；tn=WAAM成型加工非生產(chǎn)加工時(shí)間；tn-f=精加工生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。

2.2.7 WAAM加工成本

經(jīng)過前面的分析，WAAM加工過程中的各個(gè)成本計(jì)算已經(jīng)明確，因此，使用WAAM技術(shù)從添加成型到最終可直接使用零件的加工成本可以計(jì)算如下：

3 模型應(yīng)用及體會(huì)

基于上述計(jì)算方法，建立了一個(gè)基于EXCEL軟件的、輸入基本信息即可以自動(dòng)計(jì)算出加工成本的數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的具有代表性的零件和一個(gè)實(shí)際使用中的零件進(jìn)行成本分析，驗(yàn)證了上述方法的正確性。通過對(duì)上述零件在不同條件下的加工成本進(jìn)行分析，得出如下體會(huì)：

1）在WAAM技術(shù)應(yīng)用中，材料成本是WAAM加工最主要的成本，降低線材的成本，將極大的降低材料成本。

2）選擇成型加工和精加工集成的加工方法，將降低WAAM加工成本。

3）在WAAM加工中，提高成型進(jìn)給速度可以極大的降低WAAM加工成本，但是到速度增加到一定極限時(shí)，其對(duì)成本的影響逐漸趨緩。

4）在WAAM技術(shù)應(yīng)用中，鈦合金比鋼、鋁合金具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可以更大程度地節(jié)約加工成本。

5）按照傳統(tǒng)加工方法，材料利用率低的零件，推薦使用WAAM技術(shù)進(jìn)行加工。

4 結(jié)束語(yǔ)

加工成本估算對(duì)一個(gè)企業(yè)是很重要的，預(yù)估成本將給決策者提供重要的信息，可以幫助決策者選擇更加節(jié)省成本的加工方法。WAAM加工是一個(gè)可持續(xù)的、降低加工成本、節(jié)省時(shí)間的加工方法。本文通過對(duì)WAAM加工過程進(jìn)行分析，分解WAAM加工過程中的價(jià)值驅(qū)動(dòng)，建立成本預(yù)估模型，并將精加工的加工成本計(jì)算進(jìn)整個(gè)加工成本中，為WAAM加工提供了一個(gè)有效的價(jià)值估算方法。

本文中所建立的成本估算模型不是很精確，只能用于加工初期的成本分析及對(duì)比，對(duì)于后期的研究，建議對(duì)WAAM成型加工的冷卻時(shí)間、等待時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)的研究，將會(huì)有助于詳細(xì)的分析WAAM成型加工成本。傳統(tǒng)加工的準(zhǔn)備時(shí)間、非生產(chǎn)工作時(shí)間的研究已經(jīng)研究得很詳細(xì)，WAAM成型加工中的準(zhǔn)備時(shí)間、非生產(chǎn)工作時(shí)間，在本文中都是根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的預(yù)估，沒有進(jìn)行詳細(xì)深入的探討，這方面如果能夠進(jìn)行進(jìn)一步的分析，將對(duì)WAAM成型加工成本分析具有更大的意義。

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