通知添加剂制造技术的采用：总成本和

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英文标题：
《Informing Additive Manufacturing technology adoption: total cost and the
  impact of capacity utilisation》
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作者：
Martin Baumers, Luca Beltrametti, Angelo Gasparre, and Richard Hague
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最新提交年份：
2017
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英文摘要：
  Informing Additive Manufacturing (AM) technology adoption decisions, this paper investigates the relationship between build volume capacity utilisation and efficient technology operation in an inter-process comparison of the costs of manufacturing a complex component used in the packaging industry. Confronting the reported costs of a conventional machining and welding pathway with an estimator of the costs incurred through an AM route utilising Direct Metal Laser Sintering (DMLS), we weave together four aspects: optimised capacity utilisation, ancillary process steps, the effect of build failure, and design adaptation. Recognising that AM users can fill unused machine capacity with other, potentially unrelated, geometries, we posit a characteristic of \'fungible\' build capacity. This aspect is integrated in the cost estimation framework through computational build volume packing, drawing on a basket of sample geometries. We show that the unit cost in mixed builds at full capacity is lower than in builds limited to a single type of geometry; in our study this results in a mean unit cost overstatement of 157%. The estimated manufacturing costs savings from AM adoption range from 36% to 46%. Additionally, we indicate that operating cost savings resulting from design adaptation are likely to far outweigh the manufacturing cost advantage.
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中文摘要：
在通知增材制造（AM）技术采用决策时，本文通过对包装行业中使用的复杂组件的制造成本进行工序间比较，研究了批量生产能力利用率与高效技术操作之间的关系。面对传统加工和焊接路径的报告成本，以及通过使用直接金属激光烧结（DMLS）的AM路径产生的成本估算，我们将四个方面结合在一起：优化的产能利用率、辅助工艺步骤、制造故障的影响和设计适配。认识到AM用户可以用其他可能不相关的几何图形填充未使用的机器容量，我们提出了“可替代”构建容量的特征。这方面通过计算构建体积包装，在一篮子样本几何图形上绘制，集成到成本估算框架中。我们表明，在满容量条件下，混合构建的单位成本低于仅限于单一类型几何体的构建；在我们的研究中，这导致平均单位成本多报了157%。AM采用后的估计制造成本节约从36%到46%不等。此外，我们指出，设计调整带来的运营成本节约可能远远超过制造成本优势。
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分类信息：

一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：Economics        经济学
分类描述：q-fin.EC is an alias for econ.GN. Economics, including micro and macro economics, international economics, theory of the firm, labor economics, and other economic topics outside finance
q-fin.ec是econ.gn的别名。经济学，包括微观和宏观经济学、国际经济学、企业理论、劳动经济学和其他金融以外的经济专题
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PDF下载：
--> Informing_Additive_Manufacturing_technology_adoption:_total_cost_and_the_impact_.pdf (1.09 MB)

2022-5-31 22:02:35 上传

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关键词：制造技术 总成本 添加剂 Conventional Quantitative

2016年12月21日，提交给《国际生产研究杂志》（IJPR）的“绿色”开放存取预提交手稿。通知添加剂制造技术采用：总成本和产能利用的影响Martin Baumers*、Luca Beltrametti+、Angelo Gasparre+和RichardHague**英国诺丁汉大学NG7 2RD添加剂制造中心+热那亚大学经济与商业系，Vivaldi 5，16126热那亚，ITALY回复：Martin Baumers，英国诺丁汉大学工程学院，诺丁汉，NG7 2RD。电子邮件：martin。baumers@nottingham.ac.uk，电话：+44（0）115 951 3877。通知添加剂制造技术采用：总成本和产能利用的影响通知添加剂制造（AM）技术采用决策，本文通过对包装行业中使用的复杂组件制造成本的工序间比较，研究了批量生产能力利用率与高效技术操作之间的关系。面对传统加工和焊接路径的报告成本，以及通过使用直接金属激光烧结（DMLS）的AM路径产生的成本估算，我们将四个方面结合在一起：优化的产能利用率、辅助工艺步骤、构建失败的影响和设计调整。认识到AM用户可以用其他可能不相关的几何图形填充未使用的机器容量，我们提出了“可替代”构建容量的特征。这一方面通过计算构建体积打包，在一篮子样本几何图形上绘制，集成到成本估算框架中。

我们表明，全容量混合建筑的单位成本低于仅限于单一几何类型的建筑；在我们的研究中，这导致平均单位成本多报了157%。AM采用所节省的估计制造成本从36%到46%不等。此外，我们指出，设计适应带来的运营成本节约可能远远超过制造成本优势。关键词：快速制造；成本估算；运筹学；添加剂制造；建立批量包装；technology selectionIntroductionAdditive Manufacturing（AM），也称为3D打印，抓住了许多制造专业人士和技术专家的想象力。这项技术被视为数字化生产、按需制造和重新思考产品设计的途径。虽然AM的技术特征已经从不同的角度进行了调查，但需要更详细和现实地掌握SAM采用的商业案例。除了面临许多技术限制和组织挑战（Khorram Niaki和Nono，2017），AM工艺与传统制造技术相比有两个优势（Tuck等人，2008；Beltramettiand Gasparre，2016；Gardan，2016）。首先，AM允许用户忽略通过常规制造过程对产品几何图形施加的大量与工具相关的约束（参见Boothroyd和Dewhust，1994）。事实上，AM的“自由形式”特性允许制造具有更好技术和功能特性的产品。

其次，AM能够以非常低的产量实现高效制造，可能只生产一个单元，从而实现定制或高度差异化产品的制造（Eyers等人，2008；Berman，2012），并产生新的操作实践（Holmstr"om等人，2017）。我们认为，这些方面是那些引发AM驱动的大规模定制和备件按需生产的新范式的人欣喜若狂的原因，从而降低了仓库和资本成本（Achillas et al.，2017）。Alexander等人（1998年）在AM成本建模方面进行了开创性的工作，属于基于活动的成本这一大类。此类模型将资源消耗产生的直接和间接成本分配给商业环境中的可识别活动（参见Niazi等人，2006年）。在AMcost模型中，间接成本通过AM工作流中发生的各种流程的持续时间进行分配。Alexander等人的成本模型。对多个过程步骤进行了时间估计，包括AM构建过程本身的持续时间。这种方法可以针对不同的AM操作系统进行配置；它还可以通过改变围绕核心构建AM构建过程的任务来适应不同的过程设置，例如合并前处理和后处理成本，或者扩展到包括不同供应链配置的成本影响（Li等人，2017）。如byRickenbacher等人（2013）所述，Alexander等人所采用的方法仅限于单独评估单个产品的成本。因此，它对于包含多个部件的构建无效，这是大多数AMsystems的正常运行模式（Ruffo和Hague，2007）。

Hopkinson和Dickens（2003）研究了AM在更大数量和高水平产能利用率下的利用情况，有效地表明AM中可能不存在对传统制造至关重要的数量-单位成本关系。Ruffo和Hague（2007）的成本模型表明，能力利用程度决定了主要AM技术变体的平均单位成本；这一结果在工艺能耗方面得到了复制（Baumers等人，2011年）。此外，Ruffo和Hague的研究表明，由不同部件组成的构建对单位成本的影响相等，这表明技术用户面临着一个非常重要的问题，即在实践中组装成本最小化构建配置。Baumers et al.（2013）先前已将这一方面纳入AM成本模型，将计算构建量包装集成到成本估算框架中。此外，工程界认为，设计、工艺和材料的选择是相互依存的（参见Reuter，2007）。这意味着这些领域中的任何一个单方面改变都可能产生无效的配置，从而为通过确定盈亏平衡量来选择技术的方法提供了批评的理由（例如，霍普金森和狄更斯，2003年；鲁福和黑格，2007年；阿奇拉斯等人，2017年）。Atzeni et al.（2010）和Atzeni and Salmi（2012）通过将工具化制造过程的成本与能够执行等效功能的已设计组件的AM路径进行比较，解决了这一问题。到目前为止，AMcost建模中基本上忽略了实际相关性的另一个方面，即建造失败风险的成本影响，这可归类为结构不良成本（Son，1991）。

为了适应这些方面，质量控制系统已纳入AM成本调查（Schmid and Levy，2014，Berumenet al.，2010）。Baumers和Holweg（2016）通过模拟不同故障模式的预期成本影响，直接解决了这一问题。为了说明AM技术采用的合理性，我们开发了AM成本估算的新方法，将AM成本估算文献中确定的四个显著特征集中在一个基于作业的成本估算框架内。以自由填充可用机器容量的能力为中心（我们将在本文稍后返回），我们确定了配置可用构建空间的问题，并展示了如何通过适应以下方面来解决现实世界设置中的此问题：（1）实际上，AM发生在一系列过程步骤中。因此，流程间比较必须反映行业中观察到的流程图，并确认如Mellor et al.（2014）所示，AM流程不是孤立进行的。（2） 通过模仿多个可能不相关的几何体混合构建的商业实践，本文对AM的使用方式提出了现实的看法（Ruffoand Hague，2007）。这是通过利用计算构建体积封装方法和一组参考零件来综合构建填充空容量来实现的（参见Araujo等人，2015）。（3） 最近的研究表明，构建失败的风险给使用AM的实际成本带来了巨大负担，正如Baumers和Holweg（2016）在聚合物激光烧结方面所示。

为了解决这一问题，本文在成本估算中集成了一个简单的AM构建失败模型。（4） 通过接受有效的设计和材料等级与现实中的制造工艺选择有关（Reuter，2007），本文避免了比较技术上不合适的设计的问题。这是通过将产品设计视为给定的和特定于过程来实现的。此外，我们还对设计修改的使用阶段后果进行了展望。应该注意的是，我们专注于制造成本，因此忽略了重新设计的成本。为了保持AM管理理论构建研究中普遍存在的坚实的实证基础（Khorram Niaki和Nono，2017），我们的框架应用于食品行业的案例研究。我们评估了一个不锈钢热风机，它是食品包装机最终文件夹模块中使用的关键部件。如图1所示，本文在两个不同版本中考虑了该组件。首先，我们报告了图1a所示的传统部件的成本，该部件采用计算机数控（CNC）加工、车削和钨极惰性气体（TIG）焊接相结合的方式制造。这与我们对采用AM技术变型直接金属激光烧结（DMLS）制造的重新设计组件的AM通道的成本估计进行了比较，如图1b所示。图1：通过常规路径（a）和AM路径（b）制造的鼓风机组件在AM路径中，鼓风机使用EOSINT M270系统制造，该系统通过连续沉积薄水平层来构建金属组件（EOS GmbH，2016）。每一层都是通过使用200W光纤激光器选择性地熔化金属粉末床的表面，然后沉积新的增量粉末来处理的。重复此循环，直到构建完成。

为了允许能量耗散到机架中并阻止沉积材料变形，DMLS要求所有零件通过牺牲锚结构连接到可移动基板。完成后的零件将在AM流程后通过线腐蚀程序从该制造板上拆下。下一节介绍了构建增强型作业成本法所采用的方法，并总结了为本研究收集的经验数据。随后的章节将执行成本模型并呈现成本估算结果，重点关注产能利用的影响。讨论部分对文献中得出的结果进行评估和语境化。最后一节得出结论。Methodology图1所示的常规制造和AMBoth版本的研究鼓风机组件的流程图可由折叠模块制造商B公司提供给包装机制造商A公司的最终文件夹模块中使用。然而，由于B公司内部不使用AM技术，AM版本（图1b）由AM服务的专业供应商C公司制造。在传统途径中，B公司使用车削工艺和四轴CNC加工制造三个不锈钢（AISIgrade 304L）部件。这些部件随后通过TIG焊接进行连接。我们从B公司获得了成本数据，没有为这些流程构建成本模型。由于焊接步骤后的过程与AM路径共享，因此我们在此绘制了分析边界。在AM路线中，通过DMLS制造鼓风机分包给C公司。

除了采购不锈钢17-4PH原材料外，CompanyC在将鼓风机移交给B公司之前还执行了许多后处理和检查步骤。该分析通过在此流程图中放置一个构建故障节点，调查AM路径中潜在构建故障的成本影响，因此，确定如果构建操作失败，必须重复哪些流程步骤。遵循两种制造途径，在我们调查的边界之外，对零件进行电抛光（表面粗糙度Ra=3.2），然后通过TIG焊接连接黄铜套筒和螺母。然后，装配包含最终文件夹的功能模块，并将其传送给A公司，以便最终测试并运送给最终用户。图2以图形方式总结了两种制造途径的工艺链，将AM的成本模型与传统工艺的成本结合起来，如B公司所报告。图2：显示常规和AM路径成本数据的流程图为常规制造收集的成本数据本研究中使用的常规路径总成本估算由B公司提供，且对批量大小敏感。对于一小批20台鼓风机，估计总单位成本为105.00欧元。对于一大批60台鼓风机，估计总单位成本为90.97欧元。

表1提供了成本要素的详细信息；由于商业敏感性，成本构成以百分比表示。表1：制造成本估算，常规路径成本项目每单位原材料成本（需要2件，小批量，20套）不锈钢304L0.95%管材（需要2件，大批量，60套）不锈钢304L1.10%钢坯/板材（小批量，20套）不锈钢304L3.81%钢坯/板材大批量，60台）不锈钢304L4.40%工艺成本风管组件制造（小批量20台）车削4.76%风管组件制造（大批量60台）车削4.40%风机头加工（小批量20台）四轴数控加工80.95%风机头加工（大批量60台）四轴数控加工82.41%焊接总成（小批量20台）TIG焊接9.52%焊接组件（大批量，60套）TIG焊接7.69%从B公司提供的加工路径数据来看，单位成本和数量之间存在明显的负相关关系，这一点得到了有关柔性制造系统成本的文献的支持（Norman和Thisse，1999；Weller等人，2015）。与此相关的是，平均单位成本的降低也与使用固定工具的指定制造过程有关（Hopkinson和Dickens，2003；Atzeniet al.，2010；Atzeni和Salmi，2012）。AM路线的成本模型在本次调查中，原材料（包括牺牲性支撑结构）产生的直接成本和能源成本与间接成本相结合，以间接成本率C间接的形式在整个建造时间内分配，包括间接费用、消耗品、维护和机器成本。