添加/快速成型初期的制造成本預估

翟 蕓，羅 賢，Lockett Helen

ZHAI Yun1,LUO Xian2,Lockett Helen3

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

0 引言

添加成型（Additive Manufacture）簡稱AM，又稱快速成型，是一系列通過增加材料的方式進行零件成型的技術的總稱。此項技術通過添加材料的方式直接從CAD模型制造零件，整個零件看起來從“零”長到最終形狀。此技術與傳統的去除材料的加工方法相反[1]。通過十幾年的發展，快速成型技術的應用迅速增長，可加工材料范圍從非金屬到金屬，原材料形態從粉末到線材，各種各樣。與傳統減材加工技術相比較，快速成型技術有許多顯著的優勢[1～3]：

1）減少材料浪費；

2）可以不用工裝，直接從CAD數據制造復雜的接近凈尺寸的零件；

3）零件顯示出好的機械性能(與鑄造比較)[4]；

4）節省制造過程中的準備時間。

同時，此項技術的缺點也很明顯[2,3]：

1）與傳統加工方法相比較，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2D層都是零件的截面外形，然后在一定時間內加工每一層，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，降低工裝成本和減少準備時間。低成本、低污染和加工形狀靈活性是這種技術的優勢所在[5,6]。

圖1 快速成型基本加工原理

目前應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。快速成型技術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用到高精度的地方。為了提高產品的質量，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及所使用的材料進行了總結，如表1所示[8,9]。

1 線弧添加快速成型簡介

線弧添加快速成型（Wire and Arc Additive Manufacture）技術簡稱WAAM[10]，是英國克萊菲爾德大學焊接研究中心采用的一種快速成型技術。該中心在英國空客公司的資助下進行此項技術的研發工作。此技術應用光弧作為熱力源、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用到航空領域，該技術加工的零件都需要安排最終的數控精加工，使零件表面質量符合最終的使用要求。這項技術將快速成型和數控加工相結合，以高成型速度加工出大型高強度的零件[11]。本研究的開展就基于英國克萊菲爾德大學的WAAM制造技術。

表1 快速成型技術和可加工的材料

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立的數控設備上完成的，另一種方法是將WAAM加工設備與數控加工設備相結合，即WAAM成型加工和精加工在一臺設備上完成，這樣可以極大地減少零件的周轉和準備時間，但是需要對數控設備進行技術改造。詳細改造可參考文獻[12]。

圖2 WAAM加工原理

2 WAAM制造初期成本模型分析

制造成本分析對于新技術的推廣具有重要的意義。本文通過對添加成型相關成本研究的分析[13,14]，以及對WAAM加工的過程進行分析[15]，建立了一個基于WAAM加工技術的初期制造成本預估模型。此模型應用有限的設計信息和工藝信息來實現預估WAAM加工成本的目的，包括最終的精加工，從而實現與傳統的數控加工進行比較的目的。

在本計算模型中，主要是應用零件的設計信息、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WAAM價值成本中的運輸成本在本模型中沒有考慮。

圖3 WAAM制造初期成本預估模型

圖4 WAAM制造初期成本分解

下面結合WAAM的加工成本分解，對各部分的詳細計算介紹如下：

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。在計算時，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，零件沉積率設定為80%。

圖5 零件沉積率的示意圖

因此，成型材料成本計算如下：

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。

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，需要基座對零件進行支撐，直到成型最終零件。一般基座在加工完后會從零件上去除，有的基座也會成為零件的一部分，這取決于工藝的安排。

基座材料成本計算如下：

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。

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 設備使用成本和人工成本

在計算WAAM加工成本之前，必須首先考慮WAAM設備使用成本（Rm）和人工成本(Ro)，在WAAM加工中，使用的設備是一個六坐標的機器人和一個集成的CMT焊機及其相關的附件。設備的價格可以從設備供應商處獲得。按照慣例，設備的使用年限為5年，設備利用率是60%[17]，按照設備折舊曲線，設備小時使用成本如下：

其中：Cmachine=成型加工設備成本；Rm=設備小時使用成本；Ru=設備利用率；

tu=設備利用時間=使用年限×使用周數×每周使用天數×每天使用小時；對于人工小時成本（Ro），由加工所在地的人工小時成本決定。

2.2.2 零件成型成本計算

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

因此，零件成型沉積時間計算如下：

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

2.2.3 保護氣成本

保護氣是WAAM成型加工的一個特殊特征，保護氣用來隔絕加工過程中大氣對零件的污染，同時保證一個穩定的操作過程，這是WAAM加工過程中必須的。保護氣成本由沉積時間和氣體種類決定。保護氣成本計算如下：

其中：Rg=氣體流動率；Cgc=每立方米氣體成本；Vgc=氣罐體積；td=成型時間。

2.2.4 精加工成本

精加工是WAAM加工技術加工出符合行業用產品的關鍵，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控加工，數控加工的成本計算已經很成熟，在本模型中，應用Boothroyd介紹的方法，詳見文獻[18]。在WAAM加工中，材料成本在WAAM成型加工中已經計算，所以精加工成本計算中可以不用考慮。

在Boothroyd的方法中，將刀具損耗的成本計算在加工成本中，使用如下公式進行成本計算：

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

而其中tmc采用如下公式計算：

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

上述具體的轉換過程可參考Boothroyd的書[18]。部分數控加工的數據可以參考文獻[19]。

在數控加工中，同樣需要考慮設備使用率，人工小時成本，材料成本。在WAAM加工中，材料成本已經在添加成型過程中已經計算，因此不用考慮材料成本，Rm-f、Ro-f的計算方法和WAAM成型加工中的計算方法一致。

2.2.5 生產準備成本

在WAAM加工過程中，生產準備工作涉及傳遞程序到機器人、仿真和測試程序、準備設備等工作。在精加工過程中，同樣存在生產準備成本。如前所述，如果WAAM成型加工和精加工分開，則需要考慮兩個生產準備成本，如果焊接設備和數控機床集成在一體，則零件不需要移動，生產準備時間可以認為只有一種。因此，生產準備成本計算如下：

其中：Cwait=生產準備成本；twait=WAAM成型加工生產準備時間，twait-f=精加工生產準備時間。

2.2.6 非生產工作成本

在WAAM成型加工過程中，還有一部分必須的但是不創造價值的時間，發生在每一次進給速度的調整、焊接頭的進給和收回、等待和冷卻時間。這一部分時間由零件的幾何形狀決定，和零件成型時間有關。對于WAAM成型加工，根據焊接中心專家的建議，這一部分時間可以按照零件成型加工時間的比率進行預估，即成型加工時間的5%屬于非生產工作時間。

對于精加工，在Boothroyd的書[18]中也提到了非生產工作成本，并給出了不同狀態下的非工作時間建議。WAAM加工的非生產工作時間計算如下：

其中：Cn=非生產加工成本；tn=WAAM成型加工非生產加工時間；tn-f=精加工生產準備時間。

2.2.7 WAAM加工成本

經過前面的分析，WAAM加工過程中的各個成本計算已經明確，因此，使用WAAM技術從添加成型到最終可直接使用零件的加工成本可以計算如下：

3 模型應用及體會

基于上述計算方法，建立了一個基于EXCEL軟件的、輸入基本信息即可以自動計算出加工成本的數據庫，并通過對一個簡單的具有代表性的零件和一個實際使用中的零件進行成本分析，驗證了上述方法的正確性。通過對上述零件在不同條件下的加工成本進行分析，得出如下體會：

1）在WAAM技術應用中，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，其對成本的影響逐漸趨緩。

4）在WAAM技術應用中，鈦合金比鋼、鋁合金具有更大的應用優勢，可以更大程度地節約加工成本。

5）按照傳統加工方法，材料利用率低的零件，推薦使用WAAM技術進行加工。

4 結束語

加工成本估算對一個企業是很重要的，預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省成本的加工方法。WAAM加工是一個可持續的、降低加工成本、節省時間的加工方法。本文通過對WAAM加工過程進行分析，分解WAAM加工過程中的價值驅動，建立成本預估模型，并將精加工的加工成本計算進整個加工成本中，為WAAM加工提供了一個有效的價值估算方法。

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比，對于后期的研究，建議對WAAM成型加工的冷卻時間、等待時間進行詳細的研究，將會有助于詳細的分析WAAM成型加工成本。傳統加工的準備時間、非生產工作時間的研究已經研究得很詳細，WAAM成型加工中的準備時間、非生產工作時間，在本文中都是根據加工經驗進行的預估，沒有進行詳細深入的探討，這方面如果能夠進行進一步的分析，將對WAAM成型加工成本分析具有更大的意義。

[1]Hopkinson N.Additive Manufacturing：Technology and Applications[R].British Educational Communications and Technolgoy Agency,UK,2012.http：//dera.ioe.ac.uk/id/eprint/1512.

[2]Hopkinson N,Dicknes P.Analysis of rapid manufacturing—using layer manufacturing processes for production[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part C：Journal of Mechanical Engineering Science,2003,217(1)：31-39.

[3]Karunakaran K,Suryakumar S,Pushpa V,et al.Low cost integration of additive and subtractive processes for hybrid layered manufacturing[J].Robotics &Computer-integrated Manufacturing,2010,26(5)：490-499.

[4]Baufeld B,Biest O V,Gault R.Additive manufacturing of Ti-6Al-4V components by shaped metal deposition：Microstructure and mechanical properties[J].Materials&Design,2010,31(Supplement 1)：S106-S111.

[5]Kazanas P,Deherkar P,Almeida P,et al.Fabrication of geometrical features using wire and arc additive manufacture[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part B：Journal of Engineering Manufacture,2012.226(6)：1042-1051.

[6]Song Y,Park S,Chae S.3D welding and milling：part II—optimization of the 3D welding process using an experimental design approach[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2005,45(9)：1063-1069.

[7]Ding J,Colegrove P,Mehnen J,et al.Thermo-mechanical analysis of Wire and Arc Additive Manufacturing process on large multi-layer parts[J].Computational Materials Science,2011,50(12)：3315-3322.

[8]3D printing.http：//wikipedia.org/wiki/desktop_manufacturing.

[9]陳森昌,黃樹槐,史玉升.選擇性激光燒結間接成型金屬件及其在機械工業中的應用[J].機械工程材料,2002,26(8)：1-3.

[10]Bhoopala Shettigar K.Feature based model for RUAM cost modeling and comparative cost analysis[D].Cranfield University,2010.

[11]Brandl E,Palm F,Michailov V,et al.Mechanical properties of additive manufactured titanium(Ti-6Al-4V)blocks deposited by a solid-state laser and wire[J].Materials &Design,2011,32(10)：4665-4675.

[12]Song Y,Park S,Choi d,et al.3D welding and milling：Part I-a direct approach for freeform fabrication of metallic prototypes[J].International Journal of Machine Tools and Manufactu re,2005,45(9)：1057-1062.

[13]Ou-Yang C,Lin T S.Developing an integrated framework for feature-based early manufacturing cost estimation[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,1997,13(9)：618-629.

[14]Ruffo M,Tuck C,Hague R.Cost estimation for rapid manufacturing-laser sintering production for low to medium volumes[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part B：Journal of Engineering Manufacture,2006,220(9)：1417-1427.

[15]Sequeira Alemeida P M.Process control and development in wire and arc additive manufacture[D].School of Applied Science,Welding Engineering and Laser Processing Centre,Cranfield University,2012.

[16]David B A,Li Q.Activity-based cost management for design and development stage[J].International Journal of Production Economics,2003,83(2)：169-183.

[17]Jung J Y.Manufacturing cost estimation for machined parts based on manufacturing features[J].Journal of Intelligent Manufacturi ng,2002,13(4)：227-238.

[1 8]Boothroyd G A K.“Machined part cost estimation”in Fundamentals of Machining and Machine Tools[M].Third Edition,Taylor &Francis Group,2006,pp.476-501.

[19]Oborg E,Jones F D,Horton H L.Machinery’s Handbook[M].19th edition,New York：Industrial Press,1973.