مقایسه روش‌های سنتی با چاپ سه بعدی

علی‌رغم گسترش روز افزون ساخت افزایشی یا همان چاپ سه بعدی، هنوز هستند صنعت‌گرانی که مقایسه‌ای بین هزینه‌های این فناوری با روش‌های مرسوم ندارند. از این رو موضوع این مقاله، مقایسه هزینه‌های روش‌های ساخت مرسوم با ساخت افزایشی بوده است.  

فارغ روزفزون جدا از این که شما در یک شرکت طراحی صنعتی کار می‌کنید یا یک شغل خانگی راه اندازی کرده‌اید یا هر کار دیگر، دیر یا زود، به برخی از قطعات سفارشی نیاز پیدا خواهید کرد، و همواره بیش از یک راه برای تهیه آن قطعات وجود دارد. تولید کنندگان زیادی هستند که امکان تهیه مدلی از قطعه شما را دارند اما همه از روشهای یکسانی برای تولید استفاده نمی‌کنند.

دو مورد از رایج ترین و سنتی ترین روش‌های تولید، ماشینکاری CNC و تزریق پلاستیک است. ماشین‌کاری CNC، شامل برداشتن تدریجی از یک بلوک مواد تا رسیدن به قطعه مورد نظر است و قالب گیری تزریقی نیاز به ساخت قالب از قطعه دارد. که البته آن هم معمولا با تراشکاری و فرزکاری ساخته می‌شود ولی می‌توان هزاران قطعه با آن تولید نمود. در مقابل روش‌های ساخت افزایشی قرار دارند که در اینجا به FDM، SLA (استریولیتوگرافی) و SLS (جوش لیزری انتخابی) اشاره خواهد شد.

چه زمانی سراغ چاپ سه بعدی برویم؟

بشر از دهه 1980 از بسیاری جهات راه زیادی را طی کرده است و این امر در مورد چاپ سه بعدی نیز صادق است. در ابتدای راه اندازی، بسیاری این جریان را صرفا فناوری می‌دانستند، بدون این که قابلیت کاربردی فراتر از تولید مقیاس کوچک یا نمونه سازی سریع داشته باشد. اما امروزه چاپ سه بعدی به قابلیت تجاری و صنعتی رسیده است به شکلی که امروزه اصطلاحات “چاپ سه بعدی” و “تولید افزایشی” تا حد زیادی قابل جابجایی هستند. امروز دیگر همه صنایع، از شرکت‌های نوشابه تا ناسا، به مزایای تولید افزایشی (AM) اذعان دارند. تنوع زیاد چاپگرهای سه بعدی موجود به آنها امکان می‌دهد تا توپوگرافی‌ها را برای صرفه جویی در منابع و بهبود عملکرد بهینه کنند، قطعات آنها را سبک‌تر و با دوام‌تر با مواد پیشرفته، هندسه‌های پیچیده و ساختارهای داخلی ایجاد کنند که تولید سنتی نمی تواند تولید کند و موارد دیگر. به زبان ساده، AM می‌تواند قطعات پیچیده‌تر و بهینه تری را نسبت به هر فناوری دیگری ایجاد کند. چندین چالش وجود دارد که ساخت افزایشی می‌تواند آن را برطرف نماید.

2- عدم دسترسی به قطعات یدکی ماشین آلات قدیمی یا منحصر به فرد؛ مثالی از حل این چالش، شرکت پورشه است که به لطف AM. از دوازده خودرو قدیمی تولید شده از سال 1948 است. یا تولید قطعات یدکی چاپ سه بعدی در شرکت راه آهن آلمان برای لوکوموتیوهای معتبر کلاس 294 متعلق به دهه 1960.

3-کندی کار مونتاژ اجزاء؛ از آنجا که چاپگرهای سه بعدی قطعات را لایه به لایه تولید می‌کنند، می‌توانند چندین قسمت مختلف را در یک جزء ترکیب کنند. مثالی برای این موضوع، استفاده از چاپ سه بعدی برای کاهش اجزای نازل سوخت از 20 قسمت به یک واحد در شرکت GE است.

4-زیادی وزن وزن قطعات و محصولات؛ مثلا شرکت چاپ سه بعدی MX3D که از بازوی روبات ABB در چاپگرهای خود استفاده می‌کرد، یک قطعه جایگزین برای ربات ایجاد و چاپ کرد که به دلیل تخلخل آن، 50 درصد سبک‌تر بود.

5-کندی چرخه طراحی تا تولید محصول؛ بسته به قطعه چاپ شده و چاپگر مورد استفاده، تیم شما در بهترین حالت می‌تواند دو یا حتی سه تکرار طراحی را در یک روز انجام دهد و بسیار سریعتر به طرح بهینه نهایی و قابل فروش برسد.

شکل 1- پروتزهای اختصاصی دست

7-کاهش ضایعات تولید و ملاحظات زیست محیطی؛ ارائه دهنده مواد چاپ سه بعدی Apium یک ایمپلنت جمجمه برای بیماران مبتلا به آسیب شدید سر ایجاد کرد. چنین ایمپلنت‌هایی معمولاً از ترموپلاستیک PEEK فرزکاری می‌شوند و مقدار قابل توجهی ضایعات تولید می‌کنند. با چاپ سه بعدی ایمپلنت، Apium مصرف مواد را 89% و هزینه‌های تولید را 73% کاهش داد.

8-عدم تطبیق مواد و فناوری‌های مرسوم با نیازهای محصولات جدید؛ شرکت شیرینی پزی هلندی The Chocolate Factory با دستگاه‌های بسته بندی خود دچار خرابی مداوم بود و مجبور بود قطعات فلزی را چندین بار در سال تعویض کند. چرخه تعمیر و نگهداری بی پایان هزینه و هزینه زیادی را برای شرکت به همراه داشت. شرکت چاپ سه بعدی Visual First یک قطعه جایگزین از نایلون 12CF، یک ترموپلاست سفت و سخت تقویت شده با الیاف کربن، توسعه داد که مشکل او را حل کرد.

 مقایسه هزینه‌ای

مطابق یک قاعده کلی، در روش‌های مرسوم تولید، تیراژ هزینه واحد را کاهش می‌دهد ولی در ساخت افزایشی، تقریبا این قاعده صادق نیست (شکل 2).

شکل 2- تاثیر تیراژ بر هزینه تمام شده تولید در روش‌های ساخت مرسوم و افزایشی

این مقایسه برای یک قطعه خاص که در شکل 3 نشان داده شده است و به قیمت‌های مرسوم در کشورهای صنعتی است. تمام برآوردهایی که برای تولید آورده شده، مستقیماً از تولیدکنندگان استعلام شده است.

استعلام فوق با ارسال درخواست به تولید کنندگان و برای قطعه‌ای انجام شده که با همه روش‌ها قابل تولید باشد. البته قطعاتی وجود دارد که برای یک روش در مقایسه با سایر روشها بسیار دشوار بود، اما این مقایسه آن وقت عادلانه نمی‌شد. تعداد تقاضا نیز 50 عدد تعین شد. البته این جا هم باید توجه داشت برخی از سرویس‌دهنده‌ها برای تولید در تیراژهای پایین خود را تنظیم کرده‌اند و برخی حتی تولید در تیراژ پایین را بررسی نمی‌کنند، بنابراین سعی بر آن بود که یک تیراژ مناسب انتخاب شود.

شکل 3- قطعه‌ای منتخب برای مقایسه قیمت روش‌های ساخت

در مورد چاپ سه بعدی، بالاترین هزینه FDM حدود 2000 دلار به دست آمد. که البته برای 50 قطعه است. ارزان ترین قیمت هم 140 دلار برای کل سفارش بود. هزینه‌های SLA به طور قابل توجهی بالاتر از FDM بود به نحوی که 2100 دلار پایین ترین و 7000 دلار بالاترین قیمت بود. هزینه SLS کمی متفاوت‌تر از FDM با 785 دلار برای پایین ترین قیمت و با 3150 دلار برای بالاترین اعلام هزینه به دست آمد.

در طرف دیگر طیف تولید، 1300 تا 1990 دلار برای آلومینیوم CNC و حدود 5000 دلار برای قالب تزریق وجود دارد. قالب تزریقی در کاهش قیمت منحصر به فرد است، اگرچه 4800 دلار برای قالب و 300 دلار برای تیراژ 50 عدد تخمین زده شده است، اگر هم بخواهیم تعداد بیشتری تولید کنیم، این روش برای این کار تنها روش است. یک استعلام پرت هم برای ساخت قطعات از آلومینیوم به مبلغ 21،545 دلار وجود داشت. از سوی دیگر قیمت قطعه فولادی از همان تولید کننده، تنها حدود 8920 دلار بود. ولی مشخص نشده که از کدام روش برای ساختن این قطعات از آن مواد استفاده می‌شود، اما ظاهراً  به SLS نزدیک‌تر است تا CNC.

یکی دیگر از مواردی که هنگام کار با تولیدکنندگان باید به آن توجه شود، زمان تحویل است. برآورد زمان مورد نیاز برای قطعات چاپ سه بعدی حدود سه تا هشت روز و برای قطعات CNC و قالب تزریق حداکثر دو هفته و علاوه بر آن، زمان ارسال بود.

جدول 1- مقایسه هزینه‌ای-زمانی روش‌های مختلف تولید

خرید پرینتر یا گرفتن خدمات

هزار دلار (و در کشور ما 10 تا 35 میلیون تومان برای چاپگرهای FDM) مطمئناً برای چاپگر سه بعدی بسیار زیاد به نظر می‌رسد. چرا باید چنین هزینه‌ای کنیم در حالی که می‌توان قطعات را در جای دیگری تهیه و با هزینه کمتر دریافت کرد؟ در یک نگاه، این گزینه بسیار بهتر است، اما چیزهای بیشتری برای بررسی وجود دارد تا فقط مقدار هزینه.

مشخص است که چاپ سه بعدی یک قطعه می‌تواند ارزان‌تر و سریعتر از تولید سنتی باشد، اما اکنون بیایید به سناریوی دیگری نگاه کنیم: اگر بخواهم قطعات را خودم بسازم چطور؟

اول، شما برای ساخت قطعات به ماشین آلات نیاز دارید، و فرض می‌کنیم که شما از قبل دانش مربوطه یا کسی را که نحوه استفاده از آنها را می‌داند، در سازمان خود دارید. در مورد اکثر ماشین‌های CNC، شما باید به دنبال یک ماشین پنج محور باشید تا یک دستگاه سه محور. اکنون، برای یک دستگاه پنج محور، خوش شانس خواهید بود که یک دستگاه مناسب زیر 100،000 دلار پیدا کنید. به نظر می‌رسد قیمت قالب تزریق تا 10.000 تا 200.000 دلار است، اما قالب‌ها از هوا نمی آیند. بنابراین، معمولاً یک دستگاه CNC برای قالب و سپس دستگاه قالب گیری تزریقی نیاز هست. بنابراین، جمع هزینه‌ها می‌شوند حدود 110،000 دلار. اگر از بودجه شما خارج است، بیایید نگاهی به چاپگرهای سه بعدی بیندازیم. ما از Raise3D Pro2 به عنوان مبنای قیمت و ابعاد استفاده می‌کنیم و برای مقایسه به دنبال ماشین‌های دیگر با اندازه مشابه هستیم.

با نگاهی به SLS، پایین ترین قیمت حدود 10،000 دلار است، اما برای هر حجم ساخت نزدیک به 300 میلی متر در X، Y و Z، قیمت آن تا حدود 100000 دلار است. در ماشین‌های SLA، مشکل قیمت نیست. شما می‌توانید یک دستگاه قابل استفاده با چند صد دلار و یک دستگاه متوسط ​​با قیمت حدود 2000 دلار تهیه کنید. حجم این دستگاه‌ها در حدود 300 میلی متر در 150 در 400 است، اما برای نزدیک شدن به 300 میلی متر در X، Y و Z، ما باید بیشتر به دستگاهی مانند Formlabs Form 3L نگاه کنیم، که قیمت آن 10،000 دلار است.

در حال حاضر، آخرین موردی که باید مورد توجه قرار گیرد، هزینه مواد اولیه است، FDM، SLA و قالب تزریق در کاهش تولید ضایعات تولید مؤثرترین هستند، زیرا CNC به دلیل فرایند تولید پیرایشی، ضایعات بیشتری دارد. در برخی موارد، پودر SLS نمی‌تواند مجدداً مورد استفاده قرار گیرد و باید با پودر تازه مخلوط شود تا کیفیت قطعات کاهش نیابد، یا حتی ممکن است اصلا قابل استفاده مجدد نباشد. بنابراین، در مورد این قسمت خاص، 45.5 گرم مواد برای چاپ با 100 پرشدگی 100% و 26.6 گرم با پرشدگی 15 درصد نیاز است. با استفاده از موادی که قیمت هر قرقره آن حدود 30 دلار است، به ترتیب هزینه‌های 1.37 دلار و 0.80 دلار را برای این دو بخش درنظر می‌گیریم. در حال حاضر، با برآورد سازنده ما، حتی با کمترین هزینه، در مقام مقایسه، تولید قطعات به روش FDM، همچنان بیش از 100 درصد ارزان‌تر است.

بنابراین، با توجه به اینکه هزینه Pro2 4000 دلار است، با نرخ هایی که قبلاً با این قسمت خاص ذکر شد، ما باید 3000 قطعه تولید کنیم تا بتوانیم هزینه کامل چاپگر Pro2 خود را بپردازیم. در واقع همه چیز بستگی به قطعه تولید شده دارد و بهتر است از این ماشین‌ها برای ساختن بیش از یک نوع قطعه استفاده شود. در این راستا، مؤثرترین برنامه تولید، ساخت نمونه‌های اولیه در مقیاس بزرگ و در تیراژ یک عدد است.

به عنوان یک مثال واقعی، قطعه نشان داده شده در شکل 4، هنگام چاپ در خانه تقریباً 20 دلار هزینه دارد که 100 دلار کمتر از ارزان ترین استعلام اخذ شده از تولید کنندگان است.

در حال حاضر، در صورت نیاز به قطعات بیشتر، قیمت معمولاً کاهش می‌یابد، بنابراین اگر بگوییم همه قطعات یکبار تولید خواهند بود، در این صورت Pro2 هزینه خود را در 40 مورد چاپ می‌پردازد. در حال حاضر، این از ارزان ترین گزینه موجود، مواد PLA استفاده می‌کند. اگر آن را به نایلون برسانیم، تفاوت قیمت‌ها به 370 دلار در هر تولید افزایش می‌یابد، به این معنی که Pro2 هزینه خود را در بیش از 10 چاپ خواهد پرداخت، در حالی که حتی از حجم کامل ساخت استفاده نمی‌کند.

شکل 4- یک نمونه نسبتاً بزرگ ساخته شده به روش چاپ سه بعدی

علاوه بر این، چند مزیت دیگر این است که داشتن ماشین شخصی به شما کنترل مطلق بر ساختار قطعات را می‌دهد. در برخی موارد، شخص ثالث فقط به شما اجازه می‌دهد بین تعداد انگشت شماری از تنظیمات، فقط مقدار پرشدگی را انتخاب کنید.

عامل زمان تحویل نیز وجود دارد. هنگام تولید کل قطعات با دستگاه خودم، تقریباً 10 روز زمان لازم است تا یک دسته 50 تایی در یک دستگاه و با %100 پرشدگی تکمیل شود. این با زمان عرضه شخص ثالث قابل مقایسه است، اما اینجا قطعات را به محض اتمام آنها خواهیم داشت، ضمن آنکه همه آنها به یکباره ساخته نمی‌شوند. بنابراین، به جای اینکه 12 روز برای 50 قسمت منتظر بمانیم، می‌توانیم هر سه روز 15 قطعه داشته باشیم، و حتی زمانی که پرشوندگی را پایین آوریم، هر دو روز 15 قطعه ساخته می‌شود. در این مورد، یک نکته مهم این است که کاربر باید آنجا باشد تا قطعات را بردارد و چاپگر را دوباره راه اندازی کند.

با توجه به هزینه‌های تولید در حال حاضر، برای قطعات سفارشی با حجم کم، چه برای استفاده منظم و چه برای نمونه اولیه یکبار مصرف، داشتن یک چاپگر سه بعدی بهترین راه است.

مراجع:

1-Traditional vs. Additive Manufacturing Price Comparison, ALL3dp, Access 2021.

2-Top 10 Advantages of Additive Manufacturing, ALL3dp, Access 2020.

3-جزوه درس فناوری پیشرفته پلیمرها، ا.م. رضادوست، پژوهشگاه پلیمر.