DIE KOSTEN DES 3D-DRUCKS – EIN ÜBERBLICK ÜBER DIE WICHTIGSTEN ÜBERLEGUNGEN
Das Aufkommen von Industrie 4.0 hat dazu geführt, dass mehr Hersteller die additive Fertigung als Ergänzung zu ihren Prozessen in Betracht ziehen. Um an diesem neuen Paradigma teilzunehmen, müssen Sie die Haupttreiber der Kosten der additiven Fertigung verstehen. Wir werden die vier Hauptfaktoren untersuchen, die die Produktionskosten in der additiven Fertigung beeinflussen.
HAUPTTREIBER DER KOSTEN DER ADDITIVEN FERTIGUNG
Die Kosten der additiven Fertigung können in vier Kategorien unterteilt werden: Maschinen- und Werkzeugkosten, Arbeitskosten, Materialkosten und Nachbearbeitungskosten. Der Einsatz der additiven Fertigung kann die Produktionskosten in drei dieser kritischen Bereiche im Vergleich zur subtraktiven Fertigung und zum Spritzgießen senken.
INVESTITIONEN IN MASCHINEN- UND WERKZEUGKOSTEN
Der größte Kostentreiber in der additiven Fertigung ist die anfängliche Investition in Produktionsequipment. Laut einer Studie des National Institute of Standards and Technology (NIST) machen die anfänglichen Maschinenkosten 45 bis 74 % der Gesamtkosten der additiven Fertigung aus. Die anfängliche Investition in Maschinen ist der größte Treiber der Kosten der additiven Fertigung, da präzises Equipment für die additive Fertigung ziemlich teuer in der Anschaffung und Installation ist.
Obwohl das Equipment für die additive Fertigung teuer ist, sind die Werkzeugkosten etwa 30 % geringer als die, die mit dem Spritzgießen verbunden sind. Die Werkzeugkosten eines additiven Fertigungsteils machen etwa 5 % der Gesamtherstellungskosten aus. Aufgrund der Werkzeugkosten sind traditionell hergestellte Produkte teurer als spritzgegossene Produkte. Dies liegt daran, dass das schichtweise Drucken das Equipment der additiven Fertigung extrem anpassungsfähig an eine breite Palette von Produkten macht, im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung, die maßgeschneiderte Werkzeuge für jedes Produkt erfordert.
Wie viel kostet ein 3D-Drucker?
Die Kosten des 3D-Drucks werden weitgehend davon bestimmt. Dies sind die Kosten für den Kauf des 3D-Druckers.
Lassen Sie uns die Kosten einiger der beliebtesten Drucktechnologien in verschiedenen Preisklassen betrachten.
FDM 3D-Drucker
FDM-Drucker sind aufgrund ihrer niedrigen Kosten einige der beliebtesten auf dem Markt. Budgetangebote wie der Ender 3 V2 beginnen bei 270 $. Dieser relativ niedrige Preis macht ihn bei Amateuren, Studenten und sogar bei professionellen 3D-Druckern beliebt.
Budget-FDM-Drucker liefern für den Preis eine gute Druckqualität, aber für professionellere Drucke sollten Sie auf einen teureren Desktop-Drucker aufrüsten. Der Prusa MK3S ist einer von diesen.
Mit einem Preis von 1.000 $ bietet er ein höheres Druckvolumen und eine großartige, professionelle Druckqualität zu einem angemessenen Preis.
Industrielle FDM-Drucker mit großem Volumen wie der BigRep ONE V3 von Studio G2 sind erhältlich, aber der Preis von 63.000 $ liegt sicher außerhalb der Reichweite der meisten Verbraucher.
Er hat ein Bauvolumen von 1005 x 1005 x 1005 mm und wiegt etwa 460 kg. Dies ist natürlich kein üblicher 3D-Drucker im Vergleich zum Standard-Bauvolumen von 220 x 220 x 250 mm.
SLA- und DLP-3D-Drucker
Resinbasierte Drucker wie SLA und DLP werden von Menschen verwendet, die eine etwas bessere Druckqualität und Geschwindigkeit als bei FDM-Druckern wünschen.
Günstige SLA-Drucker wie der Anycubic Photon Zero oder der Phrozen Sonic Mini 4K sind im Bereich von 150 bis 200 $ erhältlich. Diese Drucker sind einfache Maschinen, die auf Anfänger ausgerichtet sind.
Für Profis sind Tischgeräte wie der Peopoly Phenom für den beeindruckenden Preis von 2.000 $ erhältlich.
Ein weiterer respektabler SLA-3D-Drucker ist der Anycubic Photon Mono X mit einem Bauvolumen von 192 x 112 x 245 mm zu einem Preis von weit unter 1.000 $.
Solche Drucker werden verwendet, um fein detaillierte, großformatige Drucke zu erstellen, die Budgetmodelle nicht bewältigen können.
SLS 3D-Drucker
SLS-Drucker sind die teuersten auf dieser Liste. Sie kosten mehr als Ihr durchschnittlicher 3D-Drucker, mit Einstiegsmodellen wie der Formlabs Fuse für 5.000 $. Diese teuren Geräte sind möglicherweise nicht einmal in der Lage, den Anforderungen des industriellen Drucks gerecht zu werden. Großformatige Modelle wie die Sintratec S2 sind dafür ideal mit einem Preisbereich von etwa 30.000 $.
ARBEITSKOSTEN
Die Höhe der Arbeitskosten in der additiven Fertigung ist ähnlich wie bei traditionellen Fertigungsmethoden. Der Hauptgrund dafür ist, dass beide Methoden hochautomatisiert sind. Sowohl in der traditionellen als auch in der additiven Fertigung können Arbeitskosten durch Vereinfachung der Teile reduziert werden. Im Wesentlichen geht es darum, ein Produkt so umzugestalten, dass die Gesamtanzahl der Teile reduziert wird, wodurch die Produktions-, Montage- und Nachbearbeitungskosten gesenkt werden. Laut NIST machen die Arbeitskosten in der additiven Fertigung weniger als 10 % der Gesamtherstellungskosten aus.
MATERIALKOSTEN
Die in den additiven Fertigungsverfahren verwendeten Materialien können erheblich teurer sein als Metallblöcke oder Kunststoffe für das Spritzgießen. Auf Gewichtsgrundlage sind Materialien für die additive Fertigung bis zu achtmal teurer als traditionelle Materialien. Die Kosten der additiven Fertigung hängen von mehreren Faktoren ab, einschließlich des additiven Prozesses und der während der Produktion verwendeten Materialien.
Additive Fertigungsteile haben eine geringere Komplexität, erfordern weniger Produktionszeit und verbrauchen erheblich weniger Rohmaterialien (bis zu 90 %) als traditionelle Fertigungsmethoden. Andererseits machen Rohmaterialien im Durchschnitt nur 18 % bis 30 % der Gesamtherstellungskosten aus. Diese Kosten werden voraussichtlich sinken, da mehr Materialoptionen verfügbar werden.
Wie berechnen Sie die Materialkosten für den 3D-Druck?
Im 3D-Druck ist dies ein bedeutender wiederkehrender Kostenfaktor. Zu einem großen Teil bestimmt die Qualität des Druckmaterials, wie gut das 3D-Modell wird. Schauen wir uns einige der beliebtesten Druckmaterialien an.
Kosten der FDM-Druckmaterialien
FDM-Drucker verwenden thermoplastische Filamente. Beim Drucken werden Filamente basierend auf ihrer Stärke, Flexibilität und den Bedingungen ausgewählt. Der Preis dieser Filamente wird durch die Qualität des Filaments bestimmt.
Die beliebtesten Filamente sind PLA, ABS und PETG. Sie werden von den meisten FDM-Hobbyisten wegen ihres niedrigen Preises (etwa 20 bis 25 $ pro Spule) verwendet. Es gibt mehrere Farboptionen. PLA ist eines der am einfachsten zu druckenden Filamente, aber sie können den Nachteil haben, zu spröde oder schwach für einige Anwendungen zu sein. Teile können durch Einstellungen wie Fülldichte, Anzahl der Perimeterwände oder sogar Drucktemperatur verstärkt werden. Wir können auf stärkere Materialien umsteigen, wenn dies nicht genügend Stärke bietet. Auch spezielle Filamente wie Holz, leuchtend im Dunkeln, Amphora, flexible Filamente (TPU, TCU) usw. sind erhältlich. Diese Filamente werden für spezielle Projekte verwendet, die diese Arten von Materialien erfordern, daher liegen ihre Preise über dem Durchschnittsbereich. Wir haben auch hochwertige Filamente wie Metall-infundierte, Faser- und PEEK-Filamente. Dies sind teure Filamente, die in Situationen verwendet werden, in denen die Qualität und Stärke des Materials entscheidend sind. Die Preise liegen zwischen 30 und 400 $ pro Kilogramm.
Kosten der SLA-Druckmaterialien
SLA-Drucker verwenden photopolymeres Harz als Druckmaterial. Harz ist ein flüssiges Polymer, das aushärtet, wenn es UV-Licht ausgesetzt wird. Es gibt viele Arten von Harzen, von den Standard-Einstiegsharzen bis hin zu Hochleistungsharzen und sogar zu Zahnmedizinharzen, die von Profis verwendet werden. Einige der beliebtesten Harze auf dem Markt sind Anycubic Eco Resin und Elegoo Water Washable Resin. Die Harze ermöglichen es dem Material, schnell zu härten, was ein schnelleres Drucken ermöglicht. Der Käufer kann auch aus einer Vielzahl von Farben wählen. Die Preise liegen zwischen 30 und 50 $ pro Liter. Es gibt auch Harze für spezielle Anwendungen wie den 3D-Druck in der Zahnmedizin und Keramik. Die Harze können verwendet werden, um alles von Zahnkronen bis hin zu metall-infundierten 3D-Teilen zu drucken. Die Kosten für diese Harze können zwischen 100 und 400 $ pro Liter liegen.
Kosten der SLS-Druckmaterialien
Pulvermedien werden von SLS-Druckern verwendet. Das Standarddruckpulver für einen SLS-Drucker ist PA12-Nylon, das zwischen 100 und 200 $ pro kg kostet. Die Pulverpreise können je nach Art des Metalls für Metal-SLS-Drucker bis zu 700 $ pro kg betragen.
NACHBEARBEITUNGSKOSTEN
Für jedes hergestellte Teil ist eine Nachbearbeitung erforderlich. Bei Metallteilen umfasst dies normalerweise Polieren oder Waschen. Die Oberfläche von additiv gefertigten Teilen, insbesondere solchen, die in präzisen mechanischen Systemen verwendet werden, muss fertiggestellt werden, um überschüssiges Material zu entfernen. Je nach dem genauen Prozess und den verwendeten Materialien stellte das NIST fest, dass die Nachbearbeitungskosten 4 bis 13 % der Gesamtherstellungskosten ausmachen. Unabhängig von der gewählten Methode sind die Nachbearbeitungskosten sowohl für traditionell als auch für additiv gefertigte Teile unvermeidlich und ähnlich.
DER GESCHÄFTSCASE FÜR DIE ADDITIVE FERTIGUNG
Trotz der Kostentreiber der additiven Fertigung gibt es einen bemerkenswerten Vorteil: die Zeitersparnis bei der Herstellung von Prototypen und fertigen Produkten. Auch wenn die anfängliche Investition hoch sein kann, steigert die eingesparte Zeit die Produktivität und ermöglicht es traditionellen Herstellern, in neue profitable Märkte einzutreten. Designer können sich dank der Flexibilität der additiven Fertigungsprozesse auch auf die Gestaltung für die Funktionalität konzentrieren, anstatt auf die Herstellbarkeit.
Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist ein weiteres hervorragendes Anwendungsbeispiel für die additive Fertigung. Mehr als 100 Teile des F-18 Hornet-Kampfflugzeugs, das seit mehr als 20 Jahren im Einsatz ist, werden additiv hergestellt. Laut Führungskräften der Luftfahrt sparen additiv hergestellte Teile an Flugzeugen jedes Jahr Millionen Dollar an Kraftstoffkosten aufgrund ihres reduzierten Gewichts. Northwest Airlines konnte 440.000 $ an Kraftstoffkosten für internationale Flüge einsparen, indem sie additiv hergestellte Teile in ihren Flugzeugen verwendete.
Die additive Fertigung hat es den Herstellern ermöglicht, zunehmend komplexere Produkte mit weniger Abfall und in kürzerer Zeit herzustellen.
Auch die Kosten für Equipment sind gesunken. Nach Anpassung an die Inflation stellte das NIST fest, dass der durchschnittliche Preis für Systeme der additiven Fertigung zwischen 2001 und 2011 um 51 % gesunken ist. Mit dem Fortschreiten der Technologie sollten Hersteller in jeder Branche in Erwägung ziehen, die additive Fertigung in ihre bestehenden industriellen Prozesse zu integrieren.
Die additive Fertigung in der Elektronikindustrie ermöglicht es Designern, immer komplexere Geräte mit aufregenden neuen Formfaktoren zu erstellen. Mit nanopartikelleitfähigen Tinten kann der 3D-Druck verwendet werden, um mehrschichtige elektronische Geräte wie drahtlose Sensoren, tragbare Elektronik und Anwendungen des Internets der Dinge zu drucken. Mit fortschreitenden Verarbeitungsfähigkeiten und Systemen wird erwartet, dass die Anwendungen nur zunehmen werden.
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