Wie hoch ist der Anteil der Nachbearbeitung nach dem 3D-Metalldruck an den gesamten Herstellungskosten?

一, Die Teile, aus denen sich die Nachbearbeitungsgebühren zusammensetzen, und ihre Hauptbestandteile
Die Nachbearbeitung des 3D-Metalldrucks besteht aus vier technologischen Hauptmodulen: Materialentfernung, Wärmebehandlung, Oberflächenbehandlung und Strukturverstärkung. Für jedes Modul fallen Kosten wie Ausrüstung, Energieverbrauch und Arbeitsaufwand an.

Materialentnahme: Dazu gehört das Entfernen der Tragkonstruktion, die Fertigstellung der Oberfläche und die Festlegung der Maße. Nach dem Druck muss beispielsweise die Oberfläche des Strömungskanals an Flugzeugtriebwerksschaufeln mithilfe eines Fünf-Achsen-Verbindungsbearbeitungszentrums hochglanzpoliert werden. Die Herstellung eines einzelnen Stücks kann viele Stunden dauern, und ein großer Teil dieser Kosten entfällt auf Ausrüstung und Arbeit.
Bei der Wärmebehandlung werden innere Spannungen beseitigt und die Struktur der Körner verbessert. Dies kann durch Glühen, Festlösung+Alterung und heißisostatisches Pressen (HIP) erfolgen. Eine Vakuumglühbehandlung reduziert die Restspannung nach dem Drucken eines orthopädischen Implantats aus Titanlegierung um 80 %. Allerdings benötigt es einen speziellen Vakuumofen und eine Langzeitisolierung, die einen großen Teil des Energieaufwands ausmacht.
Oberflächenbehandlung: Zu den Methoden gehören Sandstrahlen, Galvanisieren, Laserauftragschweißen, Mikrolichtbogenoxidation und andere, die die Oberfläche bedecken. Nach dem Drucken der Halterung für ein Batteriepaket eines neuen Energiefahrzeugs erhöhte die Mikrolichtbogenoxidationsbehandlung die Korrosionsbeständigkeit im Salzsprühtest auf über 1000 Stunden. Allerdings waren die Kosten für Chemikalien und Gerätewartung recht hoch.
Strukturverstärkung, wie Faserverstärkung, Gradientenmaterialdesign und Gitterstrukturoptimierung. Die gedruckten Teile eines bestimmten Kernkraftventils verwenden eine Gradientenstruktur aus legiertem Edelstahl auf Nickelbasis-. Dies erfordert einen Verbundprozess aus Multi-Material-Co-Druck und Wärmebehandlung. Die technische Komplexität verteuert Forschung und Entwicklung sowie Versuchsproduktion.
2, Daten aus der Branche und Fallstudien zum Prozentsatz der Nachbearbeitungskosten
1. Eine Untersuchung der Kostenstruktur in Standardindustrien
In der Luft- und Raumfahrt beispielsweise kostet der Treibstofftankrahmen eines bestimmten Raketentriebwerks etwa 40 % für den Druck, 35 % für die Nachbearbeitung (15 % für die HIP-Bearbeitung, 12 % für das CNC-Fräsen und 8 % für das Eloxieren) und 25 % für den Materialeinkauf. Der große Anteil der Nachbearbeitungskosten ist darauf zurückzuführen, dass Teile unter sehr rauen Bedingungen gut funktionieren müssen, was bedeutet, dass sie viele Schritte durchlaufen müssen, um sicherzustellen, dass sie zuverlässig sind.
Bei medizinischen Geräten betragen die Kosten für die Nachbearbeitung eines kundenspezifischen Hüftgelenkimplantats aus Titanlegierung nach dem Drucken etwa 28 % (wobei die Wärmebehandlung 12 %, das Polieren 10 % und die sterile Verpackung 6 % kostet). Die Materialkosten betragen 35 %, die Design- und Validierungskosten 37 %. Der Anteil der Nachbearbeitungskosten ist nicht sehr hoch, aber die Anforderungen an die Oberflächenrauheit (Ra < 0,2 μm) und die Biokompatibilität erfordern eine hochpräzise Bearbeitung und spezifische Bearbeitung.
In der Welt der Unterhaltungselektronik: Beispielsweise betragen die Druckkosten für die Scharnierrolle eines Faltdisplays für Mobiltelefone 55 %, die Nachbearbeitungskosten 25 % (10 % für die Entfernung der Stützstruktur, 8 % für die Wärmebehandlung und 7 % für das Sandstrahlen der Oberfläche) und die Materialkosten 20 %. Der Skaleneffekt der Massenfertigung hat einen großen Einfluss auf den Prozentsatz der Nachbearbeitungskosten. Mit steigender Produktion sinken die Kosten pro Einheit.
2. Wie sich die Wahl des Verfahrens auf die Kosten nach der Behandlung auswirkt
Der Pulverbettschmelzprozess (PBF): Der Prozentsatz der Nachbearbeitungskosten ist in der Regel erheblich, da während des Druckprozesses Stützstrukturen hinzugefügt werden müssen. Wenn Sie die SLM-Technologie zum Drucken eines bestimmten Teils einer Flugzeugstruktur verwenden, fallen 30 % der Kosten für das Entfernen des Trägers und das Polieren der Oberfläche an. Wenn Sie die EBM-Technologie ohne Stützstruktur verwenden, sinken diese Kosten auf 15 %.
Das Adhäsionsstrahlverfahren (BJ) ermöglicht eine nahezu netznahe Formung durch Entfetten und Sintern des Grünkörpers nach dem Drucken. Dadurch werden die Kosten für die Nachbehandlung erheblich gesenkt. Nach dem Drucken einer Autoradnabe mit BJ-Technologie betragen die Kosten für die Nachbearbeitung nur 12 % (hauptsächlich Wärmebehandlung und ein wenig Bearbeitung). Das sind mehr als 50 % weniger als die Kosten für die Nachbearbeitung mit der PBF-Technologie.
Directed Energy Deposition (DED)-Verfahren: gut zum Fixieren großer Teile und zum Vorbereiten für die Beschichtung; Die Kosten für die Nachbearbeitung hängen davon ab, wie dick die Druckschicht ist. Wenn die Druckschichtdicke eines bestimmten Bergbaumaschinengetriebes 1 mm beträgt, betragen die Kosten für die Nachbearbeitung nur 8 %. Wenn die Schichtdicke jedoch auf 0,3 mm sinkt, steigen die Polierkosten um bis zu 15 %, da die Oberfläche rauer wird.
3, Die Elemente, die den Anteil der Nachbearbeitungskosten beeinflussen, und die beste Möglichkeit, diese zu ändern
1. Untersuchung motivierender Elemente
Anforderungen an die Funktionsweise von Materialien: Hochleistungsmaterialien wie Hochtemperaturlegierungen und Titanlegierungen erfordern eine HIP-Behandlung zur Beseitigung von Poren, die bis zu 20–30 % der Gesamtkosten ausmachen kann.
Wie kompliziert das Teil ist: Für komplexe Merkmale wie interne Strömungskanäle und Gitterstrukturen sind eine mehrachsige Bearbeitung und spezielle Tests erforderlich. Nach dem Drucken eines bestimmten Flugzeugtriebwerksblatts kostet die CT-Prüfung 25 % der Gesamtkosten der Nachbearbeitung.
Chargenskalierung: Im Bereich der Unterhaltungselektronik kann der Prozentsatz der Nachbearbeitungskosten von 30 % auf 15 % gesenkt werden, wenn das Volumen einer einzelnen Druckcharge 10.000 Stück überschreitet. Dies ist hauptsächlich auf automatisierte Produktionslinien und Prozessverfestigung zurückzuführen.
Technologische Reife: Der Unterschied in der Genauigkeit und Stabilität zwischen in den USA hergestellten Geräten und in anderen Ländern hergestellten Geräten bedeutet, dass nach der Verarbeitung auf in den USA hergestellten Geräten 10 bis 15 % mehr Arbeit geleistet werden muss, was indirekt die Kosten erhöht.
2. Suche nach dem besten Weg zur Optimierung
Prozessinnovation: Einsatz von Technologien wie regionalem Drucken und bidirektionaler Pulververteilung, um das Drucken effizienter zu machen und weniger Stützstrukturen zu benötigen. Ein Unternehmen verbesserte seine Scanmethode, um das Supportvolumen um 40 % zu reduzieren, wodurch auch der Prozentsatz der Nachbearbeitungskosten gesenkt wurde.
Optimieren von Materialien: Stellen Sie spezielle Pulvermaterialien her, mit denen Sie leicht arbeiten können und die Sie nicht zu stark belasten. Ein bestimmtes Unternehmen hat ein Titanlegierungspulver mit niedriger Sauerstoffkonzentration auf den Markt gebracht. Dieses Pulver senkt die Wärmebehandlungstemperatur um 50 Grad und senkt die Energiekosten von 18 % auf 10 %.
Aufrüstung der Ausrüstung: Hinzufügen von Online-Erkennungs- und adaptiven Verarbeitungstechnologien, um die Notwendigkeit zu verringern, dass Menschen Dinge manuell erledigen müssen. Ein Unternehmen, das einen KI{1}}betriebenen Polierroboter einsetzt, konnte die Zeit, die für die Bearbeitung eines Werkstücks benötigt wird, von zwei Stunden auf eine halbe Stunde verkürzen. Auch die Arbeitskosten sind von 25 % auf 8 % gesunken.
Zusammenarbeit in der Industriekette: Integrierte Druck- und Nachbearbeitungsgeräte können Fertigungszyklen verkürzen. Ein bestimmtes Unternehmen hat eine Verbundmaschine „Drucken + Wärmebehandlung + Bearbeitung“ erfunden, die die Zeit für die Herstellung von Flugzeugstrukturteilen von zwei Wochen auf drei Tage verkürzt und die Kosten um 35 % senkt.