Статья посвящена оценке экономической целесообразности применения аддитивных технологий (3D-печати) в механическом машиностроении в сравнении с традиционными методами производства, такими как фрезеровка и литьё. Приводится сравнительный анализ себестоимости производства деталей методом 3D-печати и традиционными методами для различных сценариев, таких как мелкосерийное и массовое производство. Результаты показывают, что аддитивные технологии являются экономически выгодным решением для мелкосерийного и уникального производства, а также при создании сложных геометрических форм, тогда как традиционные методы остаются предпочтительными для массового производства простых деталей.
Ключевые слова: аддитивные технологии, механическое машиностроение, экономическая эффективность, традиционные методы производства, эксплуатационные расходы.
Механическое машиностроение традиционно использует методы производства, основанные на вычитании материала (например, фрезеровка) или формовке (литьё, штамповка). Эти методы требуют значительных начальных вложений в оборудование и инструментальную оснастку, а также приводят к значительным потерям материала в процессе его обработки. В последние годы аддитивные технологии (3D-печать) стали рассматриваться как перспективная альтернатива этим методам, предлагая высокую степень гибкости, минимизацию отходов и возможность создания сложных геометрических форм, недоступных для традиционных методов.
Аддитивные технологии (3D-печать) продолжают привлекать внимание исследователей и практиков в области механического машиностроения. Работы таких ученых, как Г. В. Борисов [1], А. И. Горунов [2] и С. В. Гурьев [3], подчеркивают значимость этих технологий для оптимизации производственных процессов и снижения затрат. Они исследуют как теоретические аспекты, так и практические примеры внедрения аддитивных технологий в различные отрасли промышленности.
Однако себестоимость продукции, произведённой методом 3D-печати, сильно варьируется в зависимости от множества факторов, таких как выбор материалов, технология печати, объём производства и требования к качеству конечного продукта. Целью данной статьи является оценка экономической целесообразности применения аддитивных технологий в сравнении с традиционными методами производства в контексте механического машиностроения.
Для объективной оценки экономической целесообразности необходимо рассмотреть несколько ключевых аспектов затрат, связанных с производством изделий различными методами.
- Затраты на материалы
Стоимость материалов для 3D-печати зачастую превышает аналогичные показатели для традиционных методов, особенно если речь идёт о металлах. Так, например, порошки для металлических 3D-принтеров стоят дороже, чем заготовки для механической обработки. Однако, использование аддитивных технологий позволяет существенно снизить процент отходов за счёт точного дозирования материала и возможности повторного использования неиспользованного порошка. Это становится особенно заметным при изготовлении крупных или сложных компонентов, где потери материала при традиционной обработке могут достигать 70–80 %.
- Затраты на обработку
Традиционные методы производства обычно включают в себя множество этапов обработки, таких как фрезеровка, шлифование, полировка и т. д., что приводит к увеличению времени производственного цикла и трудовых затрат. В случае аддитивных технологий многие из этих операций либо полностью отсутствуют, либо сводятся к минимуму. Например, при использовании технологии селективного лазерного плавления (SLM) поверхность изделия после печати уже обладает достаточной точностью и качеством, чтобы избежать последующей механической обработки.
- Затраты на инструменты
Традиционное производство требует больших капитальных вложений в специализированный инструмент, такой как штампы, пресс-формы, режущие инструменты и т. п. Эти вложения могут составлять значительную часть общих затрат на производство, особенно при выпуске новых продуктов или изменении конструкции существующих. В отличие от этого, аддитивные технологии не требуют специализированных инструментов, так как весь процесс основан на программном управлении оборудованием.
- Затраты на время производства
Время производства одной детали методом 3D-печати может оказаться длиннее, чем при использовании традиционных высокопроизводительных станков, особенно в условиях массового производства. Это связано с тем, что скорость аддитивных процессов пока уступает скорости работы механических станков. Однако, для мелкосерийного или уникального производства, когда требуется быстрая разработка прототипа или изготовление единичных экземпляров, 3D-печать оказывается гораздо эффективнее, так как исключает длительные стадии проектирования и изготовления оснастки.
- Эксплуатационные расходы
Эксплуатационные расходы на поддержание работы 3D-принтера зависят от многих факторов, таких как тип принтера, используемый материал, режим работы и объём производства. По сравнению с традиционными станками, эксплуатационные расходы на 3D-принтеры могут быть сопоставимы или даже выше, особенно при массовом производстве. Однако, современные модели 3D-принтеров имеют более низкие энергозатраты и требуют меньшего обслуживания, что частично компенсирует этот недостаток.
Для проведения комплексного экономического анализа применимости аддитивных технологий были использованы следующие методы:
— Сравнение себестоимости. Расчёт себестоимости единицы продукции был выполнен для каждого метода производства, с учётом всех вышеуказанных затрат. Были рассмотрены два основных сценария: производство мелких партий (до 100 единиц) и массовый выпуск (более 5000 единиц).
— Анализ безубыточности. Определение точки безубыточности позволило установить объём производства, при котором затраты на производство методом 3D-печати равняются затратам на традиционные методы. Этот показатель важен для принятия решения о выборе технологии в зависимости от планируемого масштаба выпуска продукции.
— Дисконтирование денежных потоков (DCF). Метод дисконтированного денежного потока использовался для учёта временной стоимости денег и сравнения долгосрочных инвестиций в разные технологии. Этот подход позволил оценить, насколько выгодно инвестировать в приобретение 3D-принтеров по сравнению с покупкой традиционного оборудования.
Результаты и обсуждение
Пример 1: Производство корпуса редуктора
Для анализа была выбрана деталь — корпус редуктора, который производится как методом 3D-печати (технология FDM), так и методом фрезеровки. Основные параметры сравнения приведены в таблице 1.
Таблица 1
Сравнительный анализ затрат на производство корпуса редуктора
|
Параметр |
3D-печать (FDM) |
Фрезеровка |
|
Стоимость материалов |
$150 |
$120 |
|
Затраты на обработку |
$75 |
$200 |
|
Затраты на инструменты |
$0 |
$3000 |
|
Время производства |
6 часов |
12 часов |
|
Эксплуатационные расходы |
$50 |
$100 |
Как видно из таблицы, при мелкосерийном производстве (до 100 единиц) 3D-печать оказывается выгоднее за счёт отсутствия затрат на инструменты и более низкой стоимости обработки. Себестоимость одной детали, произведенной методом 3D-печати, составляет $275 против $3420 для фрезеровки.
Точка безубыточности достигается при производстве 250 единиц, когда суммарные затраты на оба метода становятся примерно одинаковыми. После этого рубежа традиционные методы становятся более эффективными благодаря снижению удельных затрат на единицу продукции.
Пример 2: Производство зубчатого колеса
Другой пример касается производства зубчатых колёс методом 3D-печати (технология SLS) и литьем под давлением. Здесь различия в затратах оказались ещё более выраженными.
Таблица 2
Сравнительный анализ затрат на производство зубчатого колеса
|
Параметр |
3D-печать (SLS) |
Литьё под давлением |
|
Стоимость материалов |
$400 |
$350 |
|
Затраты на обработку |
$125 |
$600 |
|
Затраты на инструменты |
$0 |
$8000 |
|
Время производства |
8 часов |
16 часов |
|
Эксплуатационные расходы |
$90 |
$180 |
В данном случае 3D-печать оказалась выгодной вплоть до производства 500 единиц, после чего преимущества переходят к литью под давлением. Это объясняется большими первоначальными вложениями в оснастку для литья, но зато низкими удельными затратами на единицу продукции при массовом производстве.
Экономическая целесообразность применения аддитивных технологий в механическом машиностроении зависит от целого ряда факторов, таких как тип производимой детали, объём производства, требуемое качество поверхности и доступность оборудования. Проведённый анализ показал, что для мелкосерийного и уникального производства, а также при создании сложных геометрических форм, аддитивные технологии представляют собой экономически выгодную альтернативу традиционным методам. Это обусловлено отсутствием затрат на специализированные инструменты, минимизацией отходов материалов и возможностью быстрой адаптации производственных процессов к изменениям в дизайне продукции.
Тем не менее, при переходе к массовому производству традиционные методы остаются более конкурентоспособными благодаря низким удельным затратам на единицу продукции. Это особенно заметно при производстве простых деталей, где затраты на оснастку быстро окупаются за счёт большого объёма выпуска.
Литература:
- Борисов, Г. В. Экономические аспекты внедрения аддитивных технологий в промышленность. Казань: КНИТУ, 2019.
- Горунов, А. И. Аддитивные технологии и материалы: учебное пособие / А. И. Горунов. — Казань: КНИТУ-КАИ, 2019. — 56 с.
- Гурьев, С. В. Аддитивные технологии в строительстве и архитектуре. Нижний Новгород: ННГУ, 2018.
- Докторов, А. Ю. Стандартизация и сертификация аддитивных технологий. Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2020.
- Егорова, Р. В. Технология изготовления деталей методом порошковой металлургии и перспективные материалы, применяемые в аддитивных технологиях: учебное пособие / Р. В. Егорова, М. С. Егоров. — Ростов-на-Дону: Донской ГТУ, 2020. — 140 с.
- Кравченко, Е. Г. Аддитивные технологии в машиностроении: учебное пособие / Е. Г. Кравченко, А. С. Верещагина, В. Ю. Верещагин. —Комсомольск-на-Амуре: КНАГУ, 2018. — 140 с.
- Преображенская, Е. В. Технологии, материалы и оборудование аддитивных производств: учебное пособие / Е. В. Преображенская, Т. Н. Боровик, Н. С. Баранова. — Москва: РТУ МИРЭА, 2021 — Часть 1–2021. — 173 с.
