重磅報(bào)告：增材制造質(zhì)量?jī)?yōu)化和成本分析

2020年4月,，南極熊將發(fā)布以“如何把3D打印制造引入工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)”為主題的重磅系列干貨研究報(bào)告,，非常專(zhuān)業(yè),，讓你了解這個(gè)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的難點(diǎn),、方法,、竅門(mén),。

原內(nèi)容出自：歐洲耗時(shí)兩年,、耗資210萬(wàn)歐元的研究項(xiàng)目《AM 4 Industry》
譯者：北京化工大學(xué)英藍(lán)實(shí)驗(yàn)室  吳懷松、何其超,、程月,、王皓宇、張秀,、劉俊豐

報(bào)告第二篇《工業(yè)4.0-質(zhì)量保證和成本模型支持增材制造的廣泛使用》

增材制造質(zhì)量?jī)?yōu)化和成本分析

目錄
1 研究項(xiàng)目的動(dòng)機(jī)        6
2.識(shí)別需求并分析現(xiàn)有模型        7
2.1確定增材制造評(píng)估系統(tǒng)的要求        7
2.2現(xiàn)有模型概述        9
2.2.1全生命周期成本分析的基礎(chǔ)        9
2.2.2現(xiàn)有的增材制造成本模型        10
3增材制造評(píng)估系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)        18
3.1可用于增材制造的成本模型        18
3.1.1成本模型計(jì)算基礎(chǔ)的說(shuō)明        19
3.1.2將計(jì)算基礎(chǔ)匯總到成本模型中        25
3.2可用于增材制造的收益模型        26
3.2.1增材制造的基本優(yōu)勢(shì)        31
3.2.2利益模型的應(yīng)用        40
3.3基于網(wǎng)絡(luò)的綜合成本效益工具        42
4.資料來(lái)源        51


1 研究項(xiàng)目的動(dòng)機(jī)

增材制造工業(yè)4.0項(xiàng)目的主要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)模型,，該模型展示了將增材制造集成到公司的生產(chǎn)技術(shù)中所產(chǎn)生的好處。為此,，既要確定成本,，又要確定增材制造生產(chǎn)所產(chǎn)生的收益。

成本效益模型旨在提供一種適用于該行業(yè)的模型,，并可以比較特定零件的各種生產(chǎn)方法,。這使的公司就是否要在其生產(chǎn)中運(yùn)用增材制造做出明智的決定。如今,，這些決策通�,；�于不完整的信息、部分成本和不正確的判斷,。

使用增材制造來(lái)制造零件通常會(huì)改變供應(yīng)鏈的多個(gè)方面,。因此，很難清楚地了解可能的收益和成本,。為了進(jìn)行比較并考慮到所有方面,，需要采用整體方法。為此，必須考慮所有影響因素,。特別是對(duì)整個(gè)全生命周期的合理考慮：產(chǎn)品設(shè)計(jì)/工程,，生產(chǎn)/質(zhì)量，服務(wù)/售后,。增材制造生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)有很多,，例如，將功能集成到單個(gè)組件中,，或在備件生產(chǎn)中帶來(lái)新的可能性,。但是，另一方面,，該技術(shù)的實(shí)施成本很高,，有時(shí)還需要更長(zhǎng)的生產(chǎn)時(shí)間。

由于不可能僅通過(guò)傳統(tǒng)的成本比較來(lái)評(píng)估增材制造的優(yōu)勢(shì),，因此必須開(kāi)發(fā)一種新的通用模型,，該模型將整個(gè)全生命周期內(nèi)產(chǎn)生的成本與技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行比較。這種知識(shí)使公司可以獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),，因?yàn)樵撃Ｐ蜏p少了耗時(shí)的反復(fù)試驗(yàn)的需要,，從而可以加快決策過(guò)程并提高決策的成功率。

此外,，通過(guò)在開(kāi)發(fā)模型的應(yīng)用中確定增材制造的新優(yōu)勢(shì),，并最終通過(guò)新優(yōu)勢(shì)，使得該技術(shù)可以在經(jīng)濟(jì)上更有效地被利用,。即使沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),，該模型的早期應(yīng)用也已使用戶(hù)能夠?qū)⒕�力集中在有前途的案例��,，從而更有效地利用資源,。


2.識(shí)別需求并分析現(xiàn)有模型
為了建立增材制造的評(píng)估系統(tǒng)，首先通過(guò)調(diào)查和專(zhuān)家訪談確定了系統(tǒng)要求,。此外,，還對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行了分析。
2.1確定增材制造評(píng)估系統(tǒng)的要求
在一項(xiàng)關(guān)于增材制造潛在效益評(píng)估的調(diào)查中,，共有107家公司參與其中并回答了此問(wèn)題,，這些公司主要是來(lái)自工廠、設(shè)備制造,、汽車(chē)工業(yè)和電氣工程等工業(yè)領(lǐng)域的中小型企業(yè),。 這些公司大多數(shù)都雇用了50至250人。3/4的公司認(rèn)為他們是價(jià)值鏈中的生產(chǎn)者,。


圖2. 1 使用增材制造的調(diào)查結(jié)果

不到1/2的公司已經(jīng)使用增材制造,。增材制造工藝主要用于生產(chǎn)原型。因此,，尚未直接用于最終產(chǎn)品的生產(chǎn),。尚未使用增材制造工藝的公司在評(píng)估成本和生產(chǎn)技術(shù)潛力方面存在不確定性,，目前尚未廣泛使用其數(shù)據(jù)。

圖2. 2 AM的經(jīng)濟(jì)方面調(diào)查結(jié)果

受訪公司對(duì)技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)出了普遍的興趣,。除技術(shù)優(yōu)勢(shì)外,，使用增材制造的主要原因是減少生產(chǎn)時(shí)間和縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。特別是將新功能或其他組件集成到當(dāng)前設(shè)計(jì)中,，這一點(diǎn)引起了使用者極大的興趣,。對(duì)于大多數(shù)公司來(lái)說(shuō)實(shí)施成本是障礙，即使是那些已經(jīng)具有增材制造技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的公司,，也不會(huì)從生產(chǎn)技術(shù)的變化中獲得經(jīng)濟(jì)利益,。調(diào)查結(jié)果證實(shí)了以下理論：公司沒(méi)有完全意識(shí)到增材制造的優(yōu)勢(shì)，并且缺乏對(duì)整體成本的了解,。

除了需要建立清晰的成本結(jié)構(gòu)并揭示經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)外,，還需要與項(xiàng)目合作伙伴在專(zhuān)家訪談中確定進(jìn)一步的要求。 一方面,，必須根據(jù)整個(gè)全生命周期確定增材制造組件的成本,，以便能夠評(píng)估增材制造的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。 另一方面,，必須有幾種替代技術(shù)方案的成本比較,，以便評(píng)估系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效率。 特別地,，必須考慮到增材制造釋放了傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新潛力,。例如更高的設(shè)計(jì)幾何自由度、允許將多個(gè)產(chǎn)品組件組合為一個(gè)組件,，從而節(jié)省了組裝成本等,。因此，必須開(kāi)發(fā)一種合適的評(píng)估模型,，尤其是針對(duì)無(wú)法直接比較各種技術(shù)變體的此類(lèi)應(yīng)用案例,。


根據(jù)調(diào)查結(jié)果和專(zhuān)家訪談結(jié)果對(duì)模型要求進(jìn)行了總結(jié)。 成本－收益模型將主要為具有或不具有增材制造知識(shí)的制造公司的技術(shù)人員,、工程師或經(jīng)理創(chuàng)建,。它應(yīng)該是全面的、本身一致的,、相關(guān)的且可靠的,。 它主要用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，并作為做出決策的有效依據(jù),。 成本模型的另一個(gè)重要要求是保持模型分析過(guò)程盡可能的簡(jiǎn)潔,，并且易于使用。

2.2現(xiàn)有模型概述
為了滿(mǎn)足需求，通過(guò)全面的文獻(xiàn)搜索工作比較了各種模型開(kāi)發(fā)方法,，并從文獻(xiàn)中識(shí)別和分析了現(xiàn)有的增材制造成本模型,。
2.2.1全生命周期成本分析的基礎(chǔ)
選擇全生命周期成本（LCC）作為經(jīng)濟(jì)分析方法。LCC是戰(zhàn)略成本管理的模型,。借助LCC,，可以在整個(gè)產(chǎn)品全生命周期中計(jì)算出儲(chǔ)蓄的潛力。必須考慮產(chǎn)品全生命周期中產(chǎn)生的成本和收益,。見(jiàn)解：確定了核心問(wèn)題,。


圖2. 3 通過(guò)LCC識(shí)別核心問(wèn)題

DIN 60300-3-3標(biāo)準(zhǔn)（一個(gè)德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)）提供了全生命周期成本分析的應(yīng)用指南，在此用作開(kāi)發(fā)成本模型的基礎(chǔ)（德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)院,，2014年）,。這一標(biāo)準(zhǔn)定義了產(chǎn)品全生命周期的六個(gè)主要階段：概念和定義，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),，生產(chǎn),，安裝，操作和維護(hù)以及處理,。

原則上,，可以從產(chǎn)品角度或從機(jī)器角度進(jìn)行成本分析。因此,，第一步,，將兩種觀點(diǎn)與當(dāng)前問(wèn)題進(jìn)行了比較。

圖2.4 LCC-產(chǎn)品角度與機(jī)器角度（2005年德國(guó)工程師協(xié)會(huì),； LINDEMANN ET AL.2013年）

在此項(xiàng)目進(jìn)一步實(shí)施的過(guò)程中,，會(huì)將與產(chǎn)品相關(guān)的觀點(diǎn)作為全生命周期成本考慮的起點(diǎn)。這是證明AM在產(chǎn)品使用中有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的唯一方法,。原則上應(yīng)考慮的階段包括組件的概念和定義,、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)、實(shí)際生產(chǎn)以及安裝,、使用和維護(hù),、最后是回收,。這提供了進(jìn)一步考慮的框架,，尤其可以用來(lái)對(duì)收益進(jìn)行分類(lèi)。


2.2.2現(xiàn)有的增材制造成本模型
以下概述了關(guān)于增材制造現(xiàn)有成本的考慮因素,。根據(jù)DIN 60300-3-3標(biāo)準(zhǔn),，這些模型被分為產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段。餅形圖表示研究細(xì)節(jié)的定性水平,。因此,，可以發(fā)現(xiàn)關(guān)于增材制造技術(shù)整體成本考慮的研究空白。


圖2. 5 現(xiàn)有成本考慮因素概述

與增材制造最相關(guān)的成本模型是HOPKINSON U. DICKENS（2005）、RUFFO ET AL（2006）,、LINDEMANN ET AL（2012）和LINDEMANN ET AL（2013）,。Ruffo等人的那些成本模型：SCHMIDT（2015），BAUMERS ET AL,。（2015）和M. BAUMERS（2016）,，在其下面沒(méi)有詳細(xì)解釋過(guò)進(jìn)一步的成本考慮。
以前的成本模型主要關(guān)注單個(gè)增材制造技術(shù)零件的生產(chǎn)成本,。通常,，以前的成本模型只檢查全生命周期的某個(gè)方面，尤其是對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行了嚴(yán)格檢查,。

根據(jù)HOPKINSON U. DICKENS（2005）的成本模型,，是第一個(gè)對(duì)快速成型技術(shù)是否可用于直接生產(chǎn)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析的模型。該分析將增材制造的成本組成與注塑工藝進(jìn)行了比較,。增材制造工藝包括立體光刻,，熔融沉積和激光燒結(jié)。根據(jù)每個(gè)零件的成本（細(xì)分為機(jī)器成本,，工資成本和材料成本）,，通過(guò)不同的批次大小分析了增材制造工藝是否可以成為更適合零件生產(chǎn)的方法。與注射成型相比,，無(wú)需工具生產(chǎn)和制造復(fù)雜幾何形狀的可能性是優(yōu)勢(shì),。根據(jù)Hopkinson和Dickens（2005）的成本模型，應(yīng)注意的是,，該模型沒(méi)有考慮材料,，并且與增材制造工藝相比較的注塑工藝成本尚不明確。（比照HOPKINSON U. DICKENS 2005,，第31-39頁(yè)）

考慮以下內(nèi)容：
•直接機(jī)器成本
•間接機(jī)器成本
•機(jī)器運(yùn)行成本
•材料成本
•模具成本
•生產(chǎn)明細(xì)


RUFFO ET AL（2006年）評(píng)估并擴(kuò)展了HOPKINSON U. DICKENS（2005年）的成本模型,。在該模型中，將激光燒結(jié)與注射成型進(jìn)行比較,。在此成本分析中,，已解決并克服了上述的一些缺點(diǎn)。生產(chǎn)過(guò)程的成本分為直接成本和間接成本,，直接成本主要包括材料成本,，間接成本主要包括人工，機(jī)械和間接費(fèi)用,。一個(gè)變化是,，在此模型中，工資成本被視為間接成本,，但分析中不包括后處理過(guò)程,。此外,，與Hopkinson和Dickens（2005）的模型相反，該假設(shè)不是恒定成本函數(shù),，而是類(lèi)似于鋸齒形的成本函數(shù),。這種鋸齒狀圖案會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的共同承擔(dān)的費(fèi)用，尤其是對(duì)于小批量的生產(chǎn)（參見(jiàn)COSTABILE ET AL（2017）,，第269-270頁(yè)）,。
    除其他外，還應(yīng)考慮以下方面：
•切合實(shí)際的機(jī)器利用率
•切合實(shí)際的材料回收率
•包裝密度

LINDEMANN ET AL（2012）模型考慮增材制造的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程,，而不是僅僅考慮機(jī)器成本,。在此，為成本估算定義了四個(gè)相關(guān)過(guò)程：制造準(zhǔn)備,、制造過(guò)程,、組件清潔、后處理和改善組件性能,。因此,，后處理也被視為與成本相關(guān)的過(guò)程，其中包括質(zhì)量控制,、表面后處理以及從施工過(guò)程中移除輔助結(jié)構(gòu),。（參見(jiàn)COSTABILE ET AL.（2017）第272頁(yè)）
他們采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)的基于活動(dòng)的成本計(jì)算來(lái)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行建模。還應(yīng)考慮以下方面：
•施工準(zhǔn)備成本
•后處理成本
•時(shí)間
LINDEMANN ET AL（2013）超越了這一點(diǎn),，定義了一個(gè)全生命周期成本模型的需求,，該模型考慮了從概念、定義到處理的整個(gè)全生命周期,。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,，增材制造被認(rèn)為是傳統(tǒng)制造的真正替代產(chǎn)品，這就是為什么要根據(jù)全生命周期成本分析來(lái)確定成本的原因,。在這種方法中,，生產(chǎn)方和消費(fèi)者方均可看見(jiàn)成本因果關(guān)系。生產(chǎn)成本是根據(jù)HOPKINSON U. DICKENS（2005）和RUFFO ET AL（2006）的成本模型計(jì)算的,，已經(jīng)解釋過(guò)了,。在圖2.6中，展示了此全生命周期模型的相關(guān)階段：


圖2. 6 全生命周期模型的相關(guān)階段

主要的成本動(dòng)因是設(shè)計(jì),、使用和維護(hù)以及生產(chǎn)階段,。因此，這些階段的成本優(yōu)化也是對(duì)整體成本效率影響最大的階段,。

在圖2.7中,，將RUFFO ET AL（2006）和HOPKINSON U. DICKENS（2001）的成本模型依據(jù)樣品零件的生產(chǎn)量進(jìn)行了比較。作為比較,，給出了通過(guò)注射成型生產(chǎn)的曲線,。

圖2. 7 Ruffo等人的成本模型比較以及霍普金森和狄更斯（i.a.RUFFO ET AL.2006，p.1424）

HOPKINSON U. DICKENS（2001）的成本模型假設(shè)整個(gè)生產(chǎn)量的成本函數(shù)恒定,。間接成本平均分配到所有組成部分這一事實(shí)證明了這一假設(shè)是正確的,。與此相反，例如在注射成型過(guò)程中,，最初的高工具成本通過(guò)生產(chǎn)大量部件來(lái)攤銷(xiāo),。（HOPKINSON U.DICKENS 2001，第198頁(yè)）,。RUFFO ET AL（2006）模型認(rèn)為,，不能為低產(chǎn)量假設(shè)恒定成本函數(shù)，因?yàn)樵霾闹圃煲脖仨殧備N(xiāo)高投資成本,，這主要包括機(jī)器的購(gòu)置成本,。此外，在這種成本模型中,，高產(chǎn)量所產(chǎn)生的成本實(shí)際上是恒定的,，并且比HOPKINSON U. DICKENS（2005）模型的成本高。通過(guò)考慮實(shí)際中60％的機(jī)器利用率和僅50％的材料回收率來(lái)達(dá)到這些更高的成本,。該成本模型的最顯著差異是成本函數(shù)的“鋸齒形”,，這是由于某些批次尺寸的安裝空間利用率低而引起的（RUFFO ET AL 2006，第1420-1422頁(yè)）,。在進(jìn)一步的研究中,，RUFFO ET AL研究“并行生產(chǎn)”的成本效應(yīng)，“并行生產(chǎn)”是指在一臺(tái)機(jī)器中同時(shí)生產(chǎn)各種組件,。在本研究中,，開(kāi)發(fā)了一種成本模型，用于計(jì)算通過(guò)有效安裝空間填充而減少的成本（請(qǐng)參見(jiàn)RUFFO和HAGUE 2007,，第1590頁(yè)）,。

與上述HOPKINSON和DICKENS以及RUFFO ET AL的成本模型相反，后者僅考慮制造成本的量化,，即LINDEMANN ET AL希望開(kāi)發(fā)一個(gè)完整的模型,，通過(guò)該模型可以估算產(chǎn)品的全生命周期成本。 為此,，首先使用基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)的基于活動(dòng)的成本核算（TDABC）開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)過(guò)程模型,，該模型允許根據(jù)原因?qū)⑸�產(chǎn)過(guò)程的成本分配給各個(gè)組件。此外,，除了制造成本外,，還可以使用生產(chǎn)的前處理和后處理，分析了各種影響因素的影響,，例如施工率,，材料成本或投資成本對(duì)過(guò)程成本分配的影響 （參見(jiàn)LINDEMANN et al.2012,，p.188）


然而，上面解釋的LINDEMANN ET AL成本模型只是用于計(jì)算生產(chǎn)制造的生產(chǎn)成本的替代模型,，其中不可能包括全生命周期的其他階段,。已經(jīng)有許多方法可以計(jì)算生成制造的制造成本，但是目前整體成本的考慮仍然不完整,。為了對(duì)生產(chǎn)制造的成本效益進(jìn)行更詳細(xì)的分析,，必須開(kāi)發(fā)成本模型，以便分別評(píng)估制造過(guò)程對(duì)產(chǎn)品全生命周期或整個(gè)供應(yīng)鏈的經(jīng)濟(jì)影響,。

總體而言,，可以看出隨著時(shí)間的推移，這種觀點(diǎn)已經(jīng)逐漸被認(rèn)可,。LINDEMANN ET AL（2013年）成本模型在全生命周期成本方面,，開(kāi)發(fā)了迄今為止最全面的成本模型。下圖對(duì)成本模型的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了定性概述：



圖2.8 相關(guān)AM成本模型的概述（RUFFO ET AL.2006; LINDEMANN ET AL.2012; 2013）

通過(guò)將識(shí)別出的問(wèn)題與評(píng)估模型中所確定的需求進(jìn)行比較,，從而確定了目標(biāo),。

圖2. 9 通過(guò)將問(wèn)題和要求并列來(lái)確定目標(biāo)

強(qiáng)調(diào)了高于單純的成本分析的估值模型的需求。 增材制造的潛力應(yīng)以收益模型的形式進(jìn)行量化,。 首先,，借助文獻(xiàn)搜索總結(jié)了增材制造的優(yōu)勢(shì)。

3增材制造評(píng)估系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
根據(jù)確定的要求,，開(kāi)發(fā)了一種可行的增材制造評(píng)估系統(tǒng),，該系統(tǒng)包括成本和收益模型。
3.1可用于增材制造的成本模型
在全面的文獻(xiàn)搜索中確定了成本模型的相關(guān)參數(shù)及其相互聯(lián)系,。從產(chǎn)品的角度進(jìn)行計(jì)算和相關(guān)性分析,，以便一方面可以在產(chǎn)品全生命周期中考慮產(chǎn)品定價(jià)，另一方面可以考慮特定產(chǎn)品的成本優(yōu)勢(shì),。

根據(jù)DIN 60300-3-3標(biāo)準(zhǔn),，確定的成本分為概念和定義、設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),、生產(chǎn),、安裝、操作與維護(hù)以及處理的產(chǎn)品全生命周期階段,。通過(guò)匯總文獻(xiàn)中的不同方法,，盡可能詳細(xì)地描述了這些成本類(lèi)別。因此,，創(chuàng)建了用于成本模型編程的第一基本結(jié)構(gòu),。在當(dāng)前情況下，特別考慮了在生產(chǎn),、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段產(chǎn)生的成本,。


圖3.1 解決已發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的解決方案

3.1.1成本模型計(jì)算基礎(chǔ)的說(shuō)明
圖3.2顯示了開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，成本模型基于該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。用于增材制造的機(jī)器數(shù)據(jù)中包括諸如技術(shù)人員和工程師的工資成本,、工作時(shí)間,、能源成本和機(jī)器利用率之類(lèi)的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù),。此外,，還有關(guān)于技術(shù)投資成本和間接材料成本等方面的數(shù)據(jù)。這些匯總自增材制造的機(jī)器數(shù)據(jù)與零件數(shù)據(jù)和原材料數(shù)據(jù)組合在一起,。零件數(shù)據(jù)包括零件體積和零件ID,。原材料數(shù)據(jù)包括材料ID，每千克成本和粉末回收率等,。Job將零件,、材料和機(jī)器數(shù)據(jù)組合在一起，并用進(jìn)一步的數(shù)據(jù)（例如批量或?qū)雍瘢┻M(jìn)行補(bǔ)充,。制造過(guò)程（SLM）記錄作業(yè)數(shù)據(jù)并向其中添加過(guò)程數(shù)據(jù),。此處的過(guò)程數(shù)據(jù)是：機(jī)器準(zhǔn)備時(shí)間、分解為各個(gè)因素的構(gòu)造時(shí)間以及機(jī)器后處理時(shí)間,。還補(bǔ)充了用于后處理的數(shù)據(jù)（分為強(qiáng)制處理和可選處理）,。最后，列出了優(yōu)勢(shì),，包括改進(jìn)的產(chǎn)品利用成本,，生產(chǎn)成本和戰(zhàn)略成本，以及縮短交貨時(shí)間,。


圖3. 2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為成本模型提供了基礎(chǔ),。為了將特定成本函數(shù)集成到模型中，使用了四種相關(guān)方法作為中心計(jì)算基礎(chǔ)：
根據(jù)SCHMIDT的SLM（選擇性激光熔融）生產(chǎn)的成本結(jié)構(gòu)（vgl,。SCHMIDT 2015,，第145頁(yè)）。
根據(jù)GIBSON ET AL的直接材料成本,。（vgl,。GIBSON ET AL。2010,，S.388）
根據(jù)GIBSON ET AL估算施工時(shí)間,。（vgl。GIBSON ET AL,。2010,，389 ff。）
每小時(shí)機(jī)器費(fèi)率符合VDI 3258工作表1（VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE 1962）

圖3. 3 成本模型的主要概述

為了進(jìn)行計(jì)算,，首先考慮了全生命周期成本,。成本被分解并根據(jù)產(chǎn)品全生命周期中確定的主要階段進(jìn)行顯示,。最初的重點(diǎn)是生產(chǎn)成本、包括準(zhǔn)備成本,、制造成本,、質(zhì)量控制成本和組裝成本以及內(nèi)部物流和存儲(chǔ)成本，并且可以進(jìn)一步細(xì)分,。

起點(diǎn)是設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)成本的計(jì)算,，見(jiàn)圖3.4。



圖3. 4 設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

成本由三個(gè)部分確定：資源成本,、資源可用性和流程時(shí)間,。制造成本是計(jì)算的重點(diǎn)，見(jiàn)圖3.5,。


圖3. 5 SLM制造

對(duì)于在項(xiàng)目中用作參考的SLM方法的生產(chǎn)成本,，其成本函數(shù)已確定并相關(guān)，見(jiàn)圖3.5,。該計(jì)算基于SCHMIDT的方法（SCHMIDT 2015,，S。145及以下）,。
隨后,，計(jì)算了使用和維護(hù)成本。根據(jù)VDI 2884,，這些因素包括輔助和操作材料,、維護(hù)成本、備件成本以及性能和質(zhì)量數(shù)據(jù)（VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE 2005）,。

最后,，還包括處理成本，這是根據(jù)VDI 2884通過(guò)材料的報(bào)廢和回收來(lái)確定的（VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE 2005）,。


圖3. 6 處理費(fèi)用

3.1.2將計(jì)算基礎(chǔ)匯總到成本模型中
匯總各種計(jì)算方法和可用數(shù)據(jù),，并使用MS Excel創(chuàng)建了成本模型，這用作成本模型原型,。該文件包括九頁(yè),。其中八頁(yè)可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)計(jì)算或單獨(dú)輸入單個(gè)成本的可能性。另一頁(yè)用于匯總成本,，如下圖所示,。 在這里，可以將增材制造的全生命周期成本與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行比較,。


圖3. 7 Excel中的成本模型

該模型的要求包括最小的分析工作量和用戶(hù)友好的處理方式,。 用戶(hù)應(yīng)該能夠?qū)⑵涮囟ǖ膯?wèn)題案例投影到成本模型中。 為了首次輕松使用模型，應(yīng)將不同的實(shí)際值作為數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)在模型中,。 為此,，在成本模型原型中使用了最佳實(shí)踐價(jià)值和來(lái)自文獻(xiàn)的價(jià)值。

3.2可用于增材制造的收益模型

利益模型旨在發(fā)現(xiàn)潛力并揭示這些潛力及其相互依存關(guān)系,。為了構(gòu)建通過(guò)文獻(xiàn)檢索確定的優(yōu)勢(shì)和潛力,，首先將這些優(yōu)勢(shì)和潛力區(qū)分為獨(dú)特的功能和由此產(chǎn)生的附加值。為此,，確定了增材制造的獨(dú)特功能,，和所有由此產(chǎn)生的附加值。這種結(jié)構(gòu)為量化這些附加值提供了基礎(chǔ),，以便它們可以反映在總體評(píng)估中,。

縱向區(qū)分是基于均值-末端鏈,，因此分為五個(gè)類(lèi)別：

• 獨(dú)特屬性
• 獨(dú)特屬性的方法/應(yīng)用程序
• 方法/應(yīng)用程序的目的
• 通用目的
• 量化增值/優(yōu)勢(shì)
  

結(jié)果最初由MS Visio記錄,，見(jiàn)圖3.8。


圖3. 8 收益模型的結(jié)果

另外,，創(chuàng)建了一個(gè)文獻(xiàn)矩陣,，其中記錄了個(gè)人收益及其依賴(lài)性。根據(jù)潛力本身和潛力之間的關(guān)系在文獻(xiàn)中被提及的程度來(lái)分類(lèi),。區(qū)分產(chǎn)生了提及潛力,、案例研究、實(shí)證研究,、模擬和作者假設(shè)等類(lèi)別,。在文獻(xiàn)矩陣的行中列出了所有確定的收益。這些列列出了各個(gè)參考,。圖3.9顯示了矩陣的一部分,。

圖3. 9 關(guān)于收益的文獻(xiàn)矩陣部分

在獲得的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利益模型由個(gè)人利益的垂直和水平的相互依賴(lài)性進(jìn)行補(bǔ)充,，并在Cytoscape項(xiàng)目中實(shí)施,。結(jié)果是一個(gè)圖模型，它以節(jié)點(diǎn)的形式將收益垂直地劃分為5個(gè)類(lèi)別,，并以鏈接的形式將它們之間的依賴(lài)關(guān)系映射到一個(gè)類(lèi)別內(nèi)和跨類(lèi)別之間,。


圖3. 10 圖形模型

圖模型被設(shè)計(jì)為交互式的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)后面都有收益的定義,，并包括相應(yīng)的來(lái)源,。每個(gè)鏈接均來(lái)自于文獻(xiàn)參考，單擊節(jié)點(diǎn)或鏈接分別顯示相應(yīng)的信息,。 通過(guò)此概述,，用戶(hù)可以通過(guò)僅顯示相鄰的節(jié)點(diǎn)來(lái)仔細(xì)查看各個(gè)收益的關(guān)系。由于這種結(jié)構(gòu)，用戶(hù)自己就能發(fā)現(xiàn)所有潛力,。這不僅簡(jiǎn)化了后續(xù)收益分析,，而且還為許多產(chǎn)品和流程改進(jìn)提供了靈感。這使公司能夠了解現(xiàn)有的成功案例并為自己的生產(chǎn)制定措施,。

3.2.1增材制造的基本優(yōu)勢(shì)
利益模型的組成部分是增材制造的基本優(yōu)勢(shì),，細(xì)分為增材制造的獨(dú)特特征、方法,、目的,、目標(biāo)和價(jià)值。
3.2.1.1增材制造的獨(dú)特特征
增材制造的獨(dú)特特征是材料屬性,、幾何自由度,、可能的材料組合、免工具制造,、CAD生成產(chǎn)品的過(guò)程以及無(wú)定形的原材料,。表1中描述了各個(gè)獨(dú)特的賣(mài)點(diǎn)。
表 1 增材制造的獨(dú)特功能

• 材料特性：AM與常規(guī)材料在材料屬性方面的主要區(qū)別在于,，AM技術(shù)可同時(shí)定義對(duì)象的幾何形狀及其材料屬性（THOMPSON ET AL（2016）,，第738頁(yè)）。因此,，AM技術(shù)能夠利用具有不同特性的多種材料,。例如，盡管CNC適用于鋼和其他金屬合金等脆性材料,，但AM并非針對(duì)特定材料,。與傳統(tǒng)材料特性的另一個(gè)區(qū)別是，最終的AM零件可能會(huì)存在空隙或各向異性,，這取決于零件的方向,、工藝參數(shù)或產(chǎn)品設(shè)計(jì)（GIBSON ET AL（2010），p10）,。
• 材料組合：AM可用于組合不同組的材料,。例如，在金屬3D打印中,，該技術(shù)可用于創(chuàng)建自定義冶金學(xué)（THOMPSON ET AL（2016）,，第743頁(yè)）。在基于線材的技術(shù)中,，可以通過(guò)不同的噴嘴進(jìn)料來(lái)鋪設(shè)不同的材料,。具有獨(dú)特性能的材料的局部差異化是AM的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，這是傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法在一個(gè)制造步驟中實(shí)現(xiàn)的,。
• 幾何自由度：通過(guò)AM的逐層特性,，可以產(chǎn)生高度復(fù)雜的幾何形狀（BAUMERS ET AL 2012，第933頁(yè)）。因此,，產(chǎn)品設(shè)計(jì)幾乎不受任何幾何限制的影響（BAUER ET AL,。2016，第17頁(yè)）,。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比,，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師具有更高的自由度。他可以輕松地創(chuàng)建凹陷或內(nèi)部特征之類(lèi)的幾何形狀,，而無(wú)需進(jìn)行大量工藝規(guī)劃（GIBSON ET AL,。2010，第11頁(yè)）,。
• 免工具制造和小批量生產(chǎn)：傳統(tǒng)的制造技術(shù)（例如鑄造,，連接或機(jī)械加工）還在使用模板，工具或固定裝置,。通過(guò)使用這些輔助制造工具以提高批量生產(chǎn)的成本效益,。由于增材制造不需要任何工具來(lái)構(gòu)建產(chǎn)品，因此小批量生產(chǎn)變得更加可行（REEVES ET AL 2011）
• CAD2產(chǎn)品：對(duì)于大多數(shù)常規(guī)技術(shù),，必須手動(dòng)操縱CAD產(chǎn)品模型以準(zhǔn)備生產(chǎn)過(guò)程（例如,，通過(guò)使用CAM軟件）。對(duì)于AM,，產(chǎn)品模型可以直接用于制造零件（2013年，布呂寧格等人,，第2頁(yè)）,。
• 材料：        AM的原料有粉末，液體或細(xì)絲形式,。無(wú)論哪種方式,，原料的聚集狀態(tài)都是無(wú)定形的。
  

3.2.1.2增材制造方法
表2說(shuō)明了增材制造的方法,。
表 2 收益模型的方法

• 局部材料差異：機(jī)械,、熱或化學(xué)性質(zhì)的局部區(qū)分可以通過(guò)不同材料的組合或通過(guò)一種材料設(shè)置特定的局部性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)�,？梢栽诤暧^和微觀尺度上進(jìn)行區(qū)分,。微觀材料差異化的一個(gè)示例是使用粉末床融合技術(shù)創(chuàng)建定制合金（THOMPSON ET AL。2016,，p.743）,。
• 利用不同的顏色：可以通過(guò)在原料中添加顏色、使用不同的顏色原料或通過(guò)對(duì)顏料進(jìn)行過(guò)程中的活化,，在單一原料中誘導(dǎo)不同的顏色來(lái)實(shí)現(xiàn)局部顏色的區(qū)分（KERMER ET AL 1998,；POPAT U. EDWARDS 2000）。
• 向表面添加材料：某些增材制造技術(shù)（例如直接能量沉積或材料擠壓技術(shù)）適合在3D表面上添加材料，這可用于修復(fù)損壞,、磨損或腐蝕的零件（DUTTA U. FROES 2015,，第456頁(yè)）
  

• 利用更好的材料：如果以前使用過(guò)一種較弱的材料，則AM可以促進(jìn)諸如鈦之類(lèi)的強(qiáng)度高的材料的利用,。與常規(guī)技術(shù)相比,，將鈦與AM結(jié)合使用具有更高的成本效益，因?yàn)閮H消耗了所需數(shù)量的材料,，并且避免了困難的加工過(guò)程（BAUER ET AL 2016,，第21頁(yè)）。
• 減少材料種類(lèi)：用AM生產(chǎn)相同的材料可以用來(lái)生產(chǎn)一個(gè)總裝配件的不同部件或不同的產(chǎn)品,。這可能使得公司原材料種類(lèi)的全面減少（BEN-NER U.SIEMSEN 2017,，p.9）。
• 流體力學(xué)優(yōu)化：可以?xún)?yōu)化管道,、閥門(mén)或節(jié)流閥等零件的流體力學(xué)性能,。例如，可以通過(guò)使用自由形式的幾何形狀來(lái)優(yōu)化熱能,、氣體分布或臨界強(qiáng)度的交換（GAUSEMEIER ET AL 2014,，第12頁(yè)）。
• 微觀結(jié)構(gòu)：AM還允許設(shè)計(jì)人員改變零件的微觀和中觀結(jié)構(gòu),。典型的應(yīng)用是創(chuàng)建網(wǎng)格或網(wǎng)格結(jié)構(gòu),。 （Thompson等人，2016年,，第744頁(yè)）
• 控制孔隙率：微觀尺度上周期性原件的尺寸,、類(lèi)型、取向和邊界條件會(huì)影響AM生產(chǎn)零件的孔隙率（THOMPSON ET AL. 2016,，p.744）,。
• 創(chuàng)建獨(dú)特的幾何形狀：藝術(shù)家、工匠和工業(yè)設(shè)計(jì)師經(jīng)常采用AM來(lái)創(chuàng)建獨(dú)特,、有趣和有吸引力的幾何形狀（THOMPSON ET AL 2016,，第741頁(yè)）。
• 零件合并：零件的合并被理解為是對(duì)具有更少但因此通常更復(fù)雜的零件裝配的重新設(shè)計(jì)（KNOFIUS ET AL 2018,，第1頁(yè)）,。
• 產(chǎn)品定制：AM產(chǎn)品可以輕松滿(mǎn)足個(gè)人定制的需求。定制可以具有功能目的（例如在醫(yī)療領(lǐng)域）,，也可以通過(guò)創(chuàng)建獨(dú)特的產(chǎn)品為單個(gè)客戶(hù)增加個(gè)人價(jià)值,。 （DOUBROVSKI ET AL. 2011，第3頁(yè)）
• 拓?fù)鋬?yōu)化：拓?fù)鋬?yōu)化通常使用有限元方法來(lái)生成最優(yōu)的材料分布,，從而根據(jù)給定的力學(xué)性能減輕重量,。由于AM可以輕松產(chǎn)生高度復(fù)雜的幾何形狀,，因此可以在不受很多制造限制的情況下生成優(yōu)化的拓?fù)洌˙RACKETT ET AL.2011，第348頁(yè)）,。
• 減少整體生產(chǎn)/組裝步驟：因?yàn)榭梢栽谝慌_(tái)AM機(jī)器上生產(chǎn)多種產(chǎn)品或同一組件的多個(gè)零件,，所以通常會(huì)減少生產(chǎn)鏈中的步驟數(shù)（HEUTGER 2016，第4頁(yè)）,。
• 同時(shí)生產(chǎn)變體：使用AM可以在一臺(tái)3D打印機(jī)中生產(chǎn)多種產(chǎn)品（HEUTGER 2016,，p.4）
  

其它好處

• 嵌入系統(tǒng)：通過(guò)AM技術(shù)的逐層特性，可以在生產(chǎn)過(guò)程中集成傳感器/執(zhí)行器,、電子線路或連接器（GAUSEMEIER ET AL,。2014，第12頁(yè)）,。
• 將3D掃描轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品：AM不需要產(chǎn)品專(zhuān)用的機(jī)器設(shè)置,，也不需要產(chǎn)品專(zhuān)用的工具。因此,，可以“直接”使用3D掃描儀獲得的3D數(shù)據(jù)進(jìn)行制造,。（GEBHARDT 2012，第104頁(yè)）
• 避免昂貴的常規(guī)制造步驟：使用AM可以避免一些昂貴的傳統(tǒng)制造步驟,。例如：鈦合金航空零件的數(shù)控銑削,，速度慢，價(jià)格昂貴并且會(huì)產(chǎn)生大量的金屬?gòu)U料,。通過(guò)AM方法生產(chǎn)這些部件,，將減少這些缺點(diǎn)。（WOHLERS ASSOCIATES INC.2017,，第193頁(yè)）
• 減少供應(yīng)商：使用AM生產(chǎn)時(shí),，供應(yīng)商的總數(shù)減少了。例如：可以從數(shù)量有限的供應(yīng)商那里訂購(gòu)大量的顆粒/細(xì)絲原料,，而不是從不同的供應(yīng)商那里采購(gòu)各種材料和零件。（FELDMANN U.PUMPE 2017,，第686頁(yè)）
• 按需生產(chǎn)/數(shù)字倉(cāng)庫(kù)：有了AM,，生產(chǎn)就有可能在需求點(diǎn)和消費(fèi)點(diǎn)發(fā)生。因?yàn)楫a(chǎn)品和工具不需要實(shí)際存儲(chǔ),，可以存儲(chǔ)在數(shù)字倉(cāng)庫(kù)中,，所以可以實(shí)現(xiàn)按需生產(chǎn)。（MOHR U. KHAN 2015,，第22頁(yè)）
• 分散制造：為了減少運(yùn)輸時(shí)間并提高服務(wù)水平,，存在一種將生產(chǎn)地點(diǎn)分散的趨勢(shì)。AM的許多特性促成了分散式的制造模式,。（HEUTGER 2016,，第4頁(yè)）
• 持續(xù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)：增材制造的產(chǎn)品可以迭代開(kāi)發(fā),，而無(wú)需在工具、機(jī)器或其他物理組件上的任何進(jìn)一步投資,。因此,，有可能以最有效的成本持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品。 （2015年BALDINGER）
  

3.2.1.3增材制造的目的
表3說(shuō)明了增材制造的目的,。
表 3 增材制造的目的

• 材料資源效率：從理論上講,，僅消耗了形成每一層幾何圖形所需的材料量。與減材制造方法相比,，AM消耗的材料更少,，所以它具有更高的材料資源效率。（FELDMANN U.PUMPE 2017,，第687頁(yè)）
• 更少的產(chǎn)品界面：通過(guò)合并裝配體的多個(gè)零件,，可以減少這些零件之間的接口數(shù)量。產(chǎn)品界面通常被認(rèn)為是產(chǎn)品的主要弱點(diǎn),。（GRUND 2015,，第234頁(yè)）
• 靈活的幾何結(jié)構(gòu)：像可膨脹(可展開(kāi))零件這一類(lèi)柔性結(jié)構(gòu)可以通過(guò)封閉網(wǎng)格來(lái)實(shí)現(xiàn)（MAHESHWARAA NAMASIVAYAM U. CONNER SEEPERSAD 2011）。
• 產(chǎn)品識(shí)別        為了識(shí)別外觀相似的產(chǎn)品或保護(hù)制造商和客戶(hù)免受假冒偽劣產(chǎn)品的影響,，可以打印特定的識(shí)別措施,，例如壓印的序列號(hào)或QR碼（FELDMANN U.PUMPE 2017，p.692）,。
• 減少緊固件：如果將零件整合在一起或設(shè)計(jì)出能夠通過(guò)復(fù)雜的幾何形狀實(shí)現(xiàn)多種功能的產(chǎn)品,，則會(huì)使得許多簡(jiǎn)單的零件（例如緊固件）變得過(guò)時(shí)（CAMPBELL U.BERNABEI 2017，第73頁(yè)）,。
• 輕巧的設(shè)計(jì)：輕量化設(shè)計(jì)是指在不降低產(chǎn)品功能與規(guī)格的情況下減輕部件重量（WOHLERS ASSOCIATES INC 2017,，p。186）,。
• 功能性能的優(yōu)化：使用AM產(chǎn)品可以針對(duì)功能優(yōu)化進(jìn)行設(shè)計(jì),，而不會(huì)影響制造過(guò)程中的限制條件（CAMPBELL U.BERNABEI 2017，第77頁(yè)）,。
• 剽竊保護(hù)：嵌入式系統(tǒng)（例如RFID芯片,、條形碼或表面結(jié)構(gòu)）的集成可用于防剽竊（SCHMIDT 2015，第131頁(yè)）,。
• 創(chuàng)建絕緣：可以創(chuàng)建多功能結(jié)構(gòu)以建立隔音或隔熱效果（GAUSEMEIER ET AL 2014,，p。10）,。
• 創(chuàng)建獨(dú)特的連接器：通過(guò)打印組件的嵌入式接口,，可以創(chuàng)建與標(biāo)準(zhǔn)緊固件有很大不同的獨(dú)特連接器，例如：生物醫(yī)學(xué)中的植入物（GAUSEMEIER ET AL.2014,，p.10）
• 整合新功能：通過(guò)使用多功能的結(jié)構(gòu)化組件,，可以增強(qiáng)和升級(jí)零件的功能（GAUSEMEIER ET AL 2014,，第10頁(yè)）。
• 更好的需求預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性：由于只有少數(shù)幾個(gè)原料供應(yīng)商補(bǔ)充了原料,，計(jì)劃的活動(dòng)減少了,，預(yù)測(cè)原料需求的準(zhǔn)確性提高了（FELDMANN U. PUMPE 2017，第685頁(yè)）,。
• 審美產(chǎn)品創(chuàng)造：通過(guò)AM的高幾何自由度,，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以探索美學(xué)形式以改善情感價(jià)值（CAMPBELL ET AL。2013,，第7頁(yè)）,。
• 更好的搬運(yùn)和運(yùn)輸性：對(duì)于原材料、組件或成品,，可以實(shí)現(xiàn)更好的處理和運(yùn)輸（BEN-NER U. SIEMSEN 2017,，第10頁(yè)）。
  

• 快速進(jìn)行設(shè)計(jì)變更：如果進(jìn)行設(shè)計(jì)更改,，則無(wú)需生產(chǎn)新工具,。因此，可以更快地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更改（HOPKINSON U. DICKENS 2005,，第32頁(yè)）,。
• 生產(chǎn)能力緩沖：即使為了其他目的購(gòu)買(mǎi)了增材制造機(jī)器，它也可以用作其他生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)能緩沖器,。因此,，AM可以在需求意外激增的情況下提供幫助。 （KHAJAVI ET AL.2014,，第58頁(yè)）
• 縮短交貨時(shí)間：可以減少交貨時(shí)間（例如,，與注塑成型相比），因?yàn)椴恍枰�事先生產(chǎn)任何工具,，這可以縮短上市時(shí)間,。（WOHLERS ASSOCIATES INC.2017，第181頁(yè)）
• 減少設(shè)備磨損：用鈦等堅(jiān)固材料來(lái)生產(chǎn)零件時(shí),，傳統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備磨損嚴(yán)重,。由于AM不使用減材步驟，因此可以減少設(shè)備的磨損,。（GRUND 2015，第234頁(yè)）
• 減少下游涂裝：一些增材制造技術(shù)可以直接以不同的顏色打印零件,。這可能省去了下游噴涂操作,。（Thompson等人，2016年,，第741頁(yè)）
• 產(chǎn)品體積的靈活性：無(wú)需更改機(jī)器設(shè)置即可生產(chǎn)不同的產(chǎn)品,。因此,，產(chǎn)量可以迅速調(diào)整，以適應(yīng)不斷變化的需求,。 （WOHLERS ASSOCIATES INC.2017,，第182頁(yè)）
• 產(chǎn)品組合靈活性：由于不需要工具，因此可以在短時(shí)間內(nèi)更改產(chǎn)品組合,。因此,，AM的使用可實(shí)現(xiàn)較高的產(chǎn)量靈活性。（WOHLERS ASSOCIATES INC.2017,，第182頁(yè)）
• 減少管理費(fèi)用：可以通過(guò)合并零件來(lái)減少文檔,、檢查、生產(chǎn)計(jì)劃等的管理開(kāi)銷(xiāo)（WOHLERS ASSOCIATES INC 2017,，p.182）,。
• 規(guī)模經(jīng)濟(jì)：AM使產(chǎn)能更貼近市場(chǎng)需求（BEN-NER U.SIEMSEN 2017，p.9）
• 實(shí)現(xiàn)快速維修和再制造：如果可以隨時(shí)重新制造缺少的備件,，客戶(hù)將從更短的停機(jī)時(shí)間中獲利（BAUER ET AL,。2016，p,。18）
  

3.2.1.4增材制造的目標(biāo)
表4描述了增材制造的目標(biāo),。
表 4 增材制造的目標(biāo)

• 在用產(chǎn)品的消耗：如果實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品改進(jìn)（例如，通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)）,，那么在部署AM生產(chǎn)部件的地方,，可以減少產(chǎn)品的能源消耗。（YANG ET AL.2017,，p.838）
• 保護(hù)專(zhuān)有技術(shù)：通過(guò)刻印隱藏的特征,，AM可以用于保護(hù)制造商和客戶(hù)免受偽造的侵害（FELDMANN U.PUMPE 2017，p.692）,。
• 產(chǎn)品壽命更長(zhǎng)：通過(guò)合并部件可以達(dá)到更長(zhǎng)的使用壽命,，因?yàn)楦�少的功能接口�?huì)帶來(lái)更少故障可能性（DEUTSCHES INSTITUTFüRNORMUNG 2017，第234頁(yè)）,。
• 可持續(xù)發(fā)展：使用AM可以帶來(lái)許多可持續(xù)性收益,。例如：通過(guò)更高的原材料效率，可以減少能源消耗或降低生產(chǎn)量,，使其更貼近客戶(hù),。（SREENIVASAN ET AL.2010，第82頁(yè)）
• 長(zhǎng)期保存?zhèn)浼��?如果有數(shù)字模型,，則可以隨時(shí)復(fù)制任何零件,。因此，不需要物理空間就可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存?zhèn)浼��?（WOHLERS ASSOCIATES INC.2017,，第182頁(yè)）
• 增強(qiáng)內(nèi)在的客戶(hù)價(jià)值：內(nèi)在的客戶(hù)價(jià)值是指情感上的客戶(hù)關(guān)系,。通過(guò)提供定制產(chǎn)品可以增加內(nèi)在的客戶(hù)價(jià)值,。（SPALLEK U.KRAUSE 2017，第74頁(yè)）
• 提升外部客戶(hù)價(jià)值：外部客戶(hù)價(jià)值是指定制的功能,，可以增強(qiáng)客戶(hù)定制產(chǎn)品的可用性（SPALLEK U. KRAUSE 2017,，第74頁(yè)）。
• 減少生產(chǎn)過(guò)程中的能源：生產(chǎn)過(guò)程中的能源可以降低,，例如通過(guò)避免能源密集型的制造步驟（例如：鑄造或數(shù)控加工）（SREENIVASAN ET AL 2010,，第82頁(yè)）。
• 快速的時(shí)間/對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)：主要是因?yàn)椴恍枰�工具并且可以快速調(diào)整設(shè)計(jì),，所以AM可以對(duì)市場(chǎng)活動(dòng)做出快速反應(yīng)（SCHMIDT 2015,，S. 33）。
• 改善整體制造/裝配性能：可以通過(guò)減少要組裝的零件數(shù)量來(lái)提高組裝性能（ATZENI U. SALMI 2012）,。連接器可以自由設(shè)計(jì)成符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品,。
• 更好地服務(wù)客戶(hù)群：AM使公司能夠低成本高效率地服務(wù)小客戶(hù)群體，因?yàn)榭梢栽诓辉黾由�產(chǎn)工作量的情況下生產(chǎn)單個(gè)零件（FELDMANN U. PUMPE 2017,，第677頁(yè)）,。
• 快速可靠的送貨服務(wù)：在長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)那闆r下，基于增材制造的分布式生產(chǎn)系統(tǒng)可以減少交貨時(shí)間,，從而提高交貨服務(wù)水平（HEUTGER 2016,，第4頁(yè)）。
• 減少缺貨風(fēng)險(xiǎn)：缺貨風(fēng)險(xiǎn)描述了不能為客戶(hù)提供產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn),�,？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)字存儲(chǔ)零件來(lái)減少缺貨風(fēng)險(xiǎn)。（SIRICHAKWAL U.CONNER 2016,，57ff,。）
• 減少庫(kù)存：許多方面，尤其是AM的數(shù)字化工作流程和免工具化,，使得庫(kù)存減少和所需車(chē)間面積減少（WOHLERS ASSOCIATES INC,。2017，p182）,。
• 繞過(guò)貿(mào)易壁壘：可以通過(guò)數(shù)字方式發(fā)送產(chǎn)品并分散生產(chǎn)來(lái)避免高關(guān)稅和貿(mào)易壁壘（FELDMANN U.PUMPE 2017,，p.686）。
  

3.2.1.5增材制造的價(jià)值
表5說(shuō)明了增材制造的值,。
表 5 增材制造的價(jià)值

• 減少使用中產(chǎn)品的運(yùn)營(yíng)成本：無(wú)論是對(duì)客戶(hù)還是公司來(lái)說(shuō),，使用有收益的AM可以節(jié)省成本。
• 更高的收入：該公司在利用AM的同時(shí)獲得了更高的效益,。主要原因是：更好的交付可靠性,、更短的交貨時(shí)間、更高的靈活性以及種類(lèi)繁多的產(chǎn)品組合（FELDMANN U. PUMPE 2017，第692頁(yè)）,。
• 減少人工成本：例如：如果零件可以合并而不用進(jìn)行裝配，則可以降低人工成本（M. ZANARDINI ET AL,。2015,，第5頁(yè)）。
• 減少材料成本：當(dāng)使用更少的材料或具有更高的材料回收率時(shí),，可以節(jié)省材料成本,。
• 降低排放成本：像二氧化碳排放這樣的排放是可以計(jì)算成本的，因此可以評(píng)估減排成本降低的情況,。
• 減少制造/組裝成本：通過(guò)減少生產(chǎn)的步驟,，可以降低總體制造/組裝成本（CAMPBELL ET AL 2013，第9頁(yè)）
• 減少運(yùn)輸成本：通過(guò)輕巧的設(shè)計(jì)或通過(guò)數(shù)字化發(fā)送產(chǎn)品并在本地進(jìn)行打印,，可以降低運(yùn)輸成本（FELDMANN U. PUMPE 2017,，第690頁(yè)）。
• 減少庫(kù)存成本：庫(kù)存成本可以通過(guò)按需生產(chǎn)來(lái)節(jié)省,，而且不需要工具庫(kù)（GIFFI ET AL,。2014，第4頁(yè)）,。
• 減少基礎(chǔ)設(shè)施成本：更少的生產(chǎn)步驟使得物料搬運(yùn)設(shè)備和其他基礎(chǔ)設(shè)施組件變少,，從而節(jié)省了投資和運(yùn)營(yíng)成本。
• 減少設(shè)備維護(hù)/維修費(fèi)用：可以節(jié)省維護(hù)和維修費(fèi)用,，例如：如果不需要工具,，則無(wú)需維護(hù)工具等（WOHLERS ASSOCIATES INC。2017,，p181）,。
• 減少報(bào)廢/處理成本        報(bào)廢和處理的成本降低了，例如,，當(dāng)按需打印時(shí),，因?yàn)椴�沒(méi)有儲(chǔ)存被逐步淘汰的產(chǎn)品，從而降低了成本（FELDMANN U.PUMPE 2017,，第686頁(yè)）,。
• 降低風(fēng)險(xiǎn)成本：“風(fēng)險(xiǎn)總成本是組織運(yùn)營(yíng)中與風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的所有方面的總和，包括保留（未保險(xiǎn)）損失以及相關(guān)的損失調(diào)整支出,、風(fēng)險(xiǎn)控制成本,、轉(zhuǎn)移成本和管理成本�,！�https://www.irmi.com/term/insurance-definitions/風(fēng)險(xiǎn)成本
• 降低生產(chǎn)成本：提高生產(chǎn)量（推出新產(chǎn)品）可以減少時(shí)間和成本,，例子：不需要工具（HOLMSTRÖMET AL。2010，第692頁(yè)）,。
  

3.2.2利益模型的應(yīng)用
在圖3.11中,，顯示了利益模型的垂直分化，分為五個(gè)類(lèi)別,。在這個(gè)模型中,，增材制造的獨(dú)特特征是材料特性、幾何自由度,、可能的材料組合,、免工具制造、CAD到產(chǎn)品的過(guò)程以及無(wú)形原料,�,；�于這些特定屬性或已知優(yōu)勢(shì)，該模型使用戶(hù)能夠以結(jié)構(gòu)化的方式對(duì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行識(shí)別和組合,，以便在成本框架內(nèi)確定所有潛在用例中經(jīng)濟(jì)用例與其效益的評(píng)估,。其步驟如下所述：

圖3. 11 利益模型的縱向差異

圖3.12顯示了收益模型中的原因和可能導(dǎo)致的直接后果是如何產(chǎn)生的。從考慮特殊利益（例如優(yōu)化流體力學(xué)）開(kāi)始,，可能對(duì)通用目的和成本優(yōu)勢(shì)（例如更高的生產(chǎn)率和因此更短的零件加工時(shí)間）的水平產(chǎn)生直接影響,。此外，所考慮的節(jié)點(diǎn)的根源顯示在上一級(jí)別上,，在這種情況下,，它對(duì)應(yīng)于內(nèi)部幾何在應(yīng)用類(lèi)別中


圖3.12 效益模型–根本原因和直接后果

利益模型的結(jié)構(gòu)還允許顯示任何其他節(jié)點(diǎn)相鄰的節(jié)點(diǎn)，如圖3.13所示,。除了優(yōu)化流體力學(xué)可能帶來(lái)的直接后果外,，此處還顯示了連接到上一級(jí)別內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)出現(xiàn)可能的后果時(shí),，允許對(duì)節(jié)點(diǎn)上位的流體力學(xué)的變化進(jìn)行附加的分析,。對(duì)于這種重新設(shè)計(jì)，不僅會(huì)對(duì)正在考慮的（起始）節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響,，而且還可能導(dǎo)致進(jìn)一步的影響,。內(nèi)部幾何形狀的優(yōu)化，除了對(duì)流體力學(xué)的影響之外,，還可以在無(wú)需付出太多努力的情況下提高防止復(fù)制的安全性,，這反過(guò)來(lái)對(duì)專(zhuān)有技術(shù)的保護(hù)產(chǎn)生有利的影響，從而降低了反剽竊的成本,。


圖3.13 收益模型– I°原因和可能的間接后果

以與前面段落中描述的過(guò)程類(lèi)似的方式,，下一個(gè)更高級(jí)別節(jié)點(diǎn)的重新設(shè)計(jì)可能產(chǎn)生的結(jié)果在圖3.14中進(jìn)行了映射。通過(guò)改變幾何自由度,，除了內(nèi)部幾何形狀以及流體力學(xué)的優(yōu)化之外,，還可以在拓?fù)鋬?yōu)化和零件合并方面產(chǎn)生積極的影響,。這些反過(guò)來(lái)又會(huì)影響應(yīng)用目的、通用目的和成本收益等從屬級(jí)別節(jié)點(diǎn),。

圖3.14 收益模型– II°原因和可能的間接后果
因此,，利益模型的主要成功之處在于，它概述了增材制造的特征及特征之間的關(guān)系,。這使得可以估計(jì)特征最優(yōu)化對(duì)關(guān)聯(lián)特征的影響,，從而在改進(jìn)產(chǎn)品的過(guò)程中顯示出極大的潛力。

3.3基于網(wǎng)絡(luò)的綜合成本效益工具
結(jié)果是一個(gè)成本模型原型,，它允許簡(jiǎn)單的通用應(yīng)用程序和成本計(jì)算，只需要幾個(gè)參數(shù),。在此基礎(chǔ)上,，成本模型被轉(zhuǎn)換為使用Python編程語(yǔ)言的指示板。下圖概述了成本效益模型的結(jié)構(gòu),。

圖3.15 成本效益模型

用戶(hù)可以在這個(gè)儀表板上的各個(gè)選項(xiàng)卡之間導(dǎo)航,。概述頁(yè)和每一頁(yè)輸入產(chǎn)品，機(jī)器,，材料,，工作，業(yè)務(wù)和后處理數(shù)據(jù)是可用的,。最后一頁(yè)包含與利益模型部分相關(guān)的利益,。

在“概述”頁(yè)面上，將清楚匯總根據(jù)輸入的參數(shù)計(jì)算出的數(shù)據(jù),。在這里,，成本也被細(xì)分為成本類(lèi)別。


圖3.16 成本效益模型–概述

可以使用控制器來(lái)設(shè)置要考慮的批量的范圍,。敏感性分析顯示了取決于批量的生產(chǎn)成本,。這個(gè)餅圖以百分比表示生產(chǎn)成本的相對(duì)構(gòu)成。這些費(fèi)用分為機(jī)器成本,、直接和間接材料成本,、后處理成本和人工成本。所有計(jì)算均基于已經(jīng)說(shuō)明的結(jié)構(gòu)和計(jì)算基礎(chǔ),。通過(guò)使用已識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)（與之前解釋的過(guò)程類(lèi)似）,，可以將成本并置并節(jié)省成本，從而使用戶(hù)能夠評(píng)估輸入,。下面說(shuō)明模型的各個(gè)輸入頁(yè)面：

在“產(chǎn)品”下輸入特定于產(chǎn)品的信息,。

圖3.17 成本效益模型–產(chǎn)品

在“機(jī)器”下，可以輸入與機(jī)器有關(guān)的信息,，SLM處理參數(shù)和間接材料成本,。從文獻(xiàn)中識(shí)別出的示例數(shù)據(jù)已經(jīng)存儲(chǔ)在低成本初始應(yīng)用程序的機(jī)器信息中。這些可以由用戶(hù)修改，添加新行,。


圖3.18 成本效益模型–機(jī)器

在“材料”下,，列出了有關(guān)所用材料的信息。這里的樣本數(shù)據(jù)也已經(jīng)存儲(chǔ),。用戶(hù)可以編輯它們,，或在新行中添加新材料。用戶(hù)可以選擇相應(yīng)的物料進(jìn)行計(jì)算,。

圖3.19 成本效益模型-物料

在工作目錄下,，添加特定訂單的信息。


圖3.20 成本效益模型–工作

在“商業(yè)”下,，輸入特定于企業(yè)的信息,。


圖3.21 成本效益模型-商業(yè)價(jià)值輸入數(shù)據(jù)

“后處理”數(shù)據(jù)列出了可能的后處理步驟的成本。示例數(shù)據(jù)也可以在此處進(jìn)行編輯,，或者可以添加新數(shù)據(jù),。“描述”字段允許向每個(gè)過(guò)程添加注釋,。例如,，在此可以指定后處理過(guò)程是可選的還是強(qiáng)制性的。為了進(jìn)行計(jì)算,，用戶(hù)選擇要執(zhí)行的后處理步驟,。后處理成本一次只涉及一個(gè)部分。


圖3.22 成本效益模型–后處理數(shù)據(jù)

在“收益”中選擇模型后,，用戶(hù)可以在基于Web的評(píng)估中找到相關(guān)的用戶(hù)維度,，并可以單獨(dú)量化它們以實(shí)現(xiàn)可比性（圖3.23）。

圖3.23 收益模型

4.資料來(lái)源

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研究背景

2020年3月,，奧地利技術(shù)公司Ecoplus Plastics和Mechatronics Cluster公布了他們的一項(xiàng)研究結(jié)果,，內(nèi)容主要是關(guān)于將增材制造應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)現(xiàn)。兩年前,，這兩家公司啟動(dòng)了這項(xiàng)耗資210萬(wàn)歐元的研究項(xiàng)目,，稱(chēng)為“增材制造的工業(yè)4.0”（AM 4 Industry）。

項(xiàng)目目的是使企業(yè)能夠在把增材制造引入生產(chǎn)領(lǐng)域時(shí),，做出更明智的決策,。研究表明，增材制造技術(shù)能否成功應(yīng)用于工業(yè),，主要取決于幾大關(guān)鍵因素：
●質(zhì)量特征的定義以及設(shè)計(jì)
●3D打印工藝的發(fā)展
●可靠的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控
●合適的后處理指南
●合適的成本效益模型


該報(bào)告一共包括五個(gè)細(xì)分報(bào)告：
●激光束熔化（LBM）增材制造缺陷研究
●增材制造設(shè)計(jì)非常重要
●增材制造中的設(shè)計(jì)與流程相關(guān)注意事項(xiàng)
●實(shí)施增材制造工藝之前,，做好質(zhì)量?jī)?yōu)化和成本分析
●應(yīng)用示例介紹OpenFoam®和chtMultiRegion


這項(xiàng)研究，南極熊認(rèn)為非常有價(jià)值,，有利于激光熔化類(lèi)的3D打印企業(yè)深入展開(kāi)工業(yè)應(yīng)用,，推動(dòng)我國(guó)智能制造的發(fā)展,。

本報(bào)告的翻譯，得到北京化工大學(xué)英藍(lán)實(shí)驗(yàn)室  吳懷松,、何其超,、程月、王皓宇,、張秀,、劉俊豐等同學(xué)，和老師焦志偉的大力支持,。正是由于這個(gè)也做3D打印相關(guān)研究的團(tuán)隊(duì),，付出了約1個(gè)月的時(shí)間和精力，本報(bào)告的中文版才得以問(wèn)世,。南極熊特此感謝,！

現(xiàn)在全部都已經(jīng)翻譯好 了，公開(kāi) 了,。