Quais fatores de custo dominam a produção em pequenos lotes na impressão 3D metálica?
Do ponto de vista de fabricação e engenharia, a estrutura de custos da impressão 3D de metais em pequenas séries diverge significativamente da produção em massa tradicional. A predominância de custos fixos e de configuração sobre os custos variáveis de material define sua economia. Para pequenas séries, os seguintes fatores normalmente representam a maior parte das despesas totais de produção.
Principais Fatores de Custo na Impressão 3D de Metais em Pequenas Séries
1. Custos da Máquina e da Operação de Construção
Tempo de Máquina (Custo Mais Significativo): Ao contrário da usinagem CNC, onde o custo está ligado aos caminhos da ferramenta e à complexidade, o custo do DMLS é principalmente uma função da altura da peça (eixo Z) e do tempo de construção. Uma máquina funcionando por 100 horas representa um custo de capital e operacional significativo, amortizado entre todas as peças na plataforma. Isso inclui depreciação da máquina, manutenção da atmosfera de argônio e consumo de energia.
Preparação da Construção: Inclui os custos fixos e não recorrentes de engenharia (NRE) para preparação de arquivos, geração de estruturas de suporte e otimização do layout da plataforma de construção. Para pequenas séries, esse custo de engenharia inicial é distribuído por poucas peças, tornando-se um fator de custo significativo por peça.
2. Mão de Obra e Equipamentos de Pós-Processamento
Remoção de Suportes e Acabamento Inicial: É um processo manual intenso e demorado. Remover peças da plataforma de construção via EDM por fio e cortar cuidadosamente estruturas de suporte requer mão de obra qualificada. O custo é proporcional ao número de peças e à complexidade das estruturas de suporte.
Tratamento Térmico: Quase todas as peças metálicas de AM requerem tratamento térmico para alívio de tensões. Para componentes críticos em aplicações aeroespaciais ou médicas, a Prensagem Isostática a Quente (HIP) é uma etapa obrigatória, porém cara, devido ao ciclo de equipamento e à manipulação logística.
Usinagem CNC Secundária: Alcançar tolerâncias funcionais e superfícies de acoplamento quase sempre requer usinagem CNC. O custo de fixação, programação e usinagem do metal impresso em pequenas séries é um grande contribuidor do preço final. Isso inclui processos como fresagem CNC e torneamento.
3. Custos de Material
Custo do Pó: Pós metálicos para AM, especialmente superligas especializadas como Inconel 718 ou titânio, são significativamente mais caros que o material forjado, devido aos rigorosos requisitos de tamanho de partícula, forma e fluidez.
Utilização de Material: Embora a AM seja promovida como um processo de baixo desperdício, as "estruturas de suporte" e quaisquer peças "sacrificiais" na plataforma de construção são 100% desperdício. O verdadeiro fator de utilização de material (relação do peso final da peça sobre o total de pó consumido) pode ser surpreendentemente baixo para construções complexas e bem suportadas.
4. Garantia de Qualidade e Certificação
Qualificação do Processo: Para indústrias reguladas, qualificar uma peça específica, material e conjunto de parâmetros de construção representa um custo NRE substancial.
Inspeção por Peça: Pequenas séries frequentemente exigem inspeção 100%. Isso inclui verificações dimensionais com CMMs e Ensaios Não Destrutivos (END) como inspeção por penetrante, ambos requerem técnicos qualificados e tempo.
Documentação: Fornecer rastreabilidade completa do material e certificação para um lote de 10 peças acarreta quase o mesmo custo administrativo e de teste que um lote de 100, tornando-o um fator de custo dominante por peça para pequenas quantidades.
Resumo dos Domínios de Custo
Domínio de Custo | Por que é Dominante em Pequenas Séries | Estratégia de Mitigação |
|---|---|---|
Tempo de Máquina e Construção | Custos fixos de preparação da construção e operação da máquina são amortizados sobre muito poucas peças. | Organize múltiplas peças diferentes em uma única plataforma de construção para compartilhar os custos fixos. |
Mão de Obra de Pós-Processamento | Remoção de suportes e acabamento são processos manuais com baixa economia de escala. | Projetar para AM (DfAM) para minimizar estruturas de suporte e simplificar o pós-processamento. |
Usinagem CNC Secundária | Alto NRE para fixação/programação, combinado com dificuldade de usinagem de superfícies impressas. | Projetar para minimizar características críticas usinadas; usar AM apenas para geometria complexa. |
Garantia de Qualidade | Certificação e inspeção NRE distribuídos sobre um pequeno número de peças. | Trabalhe com o fabricante para definir um plano de inspeção racionalizado e baseado em risco. |
Orientações de Engenharia para Otimização de Custos
Design para Fabricação Aditiva (DfAM): Este é o fator mais importante. Otimizar a orientação da peça para minimizar suportes e altura Z, e projetar ângulos auto-suportáveis, pode reduzir drasticamente tanto o tempo de impressão quanto a mão de obra de pós-processamento.
Aproveite o Empilhamento de Lotes: Combine múltiplos projetos ou peças diferentes em um único trabalho de construção para compartilhar os altos custos fixos de operação da máquina e preparação da construção.
Racionalize Tolerâncias e Acabamento Superficial: Especifique tolerâncias rigorosas e acabamentos superficiais apenas onde for absolutamente necessário funcionalmente. Cada superfície que requer usinagem de precisão secundária adiciona custo significativo.
Considere Todo o Fluxo de Trabalho: A peça impressa mais barata não tem valor se requer centenas de dólares em usinagem e inspeção. Avalie o custo do serviço completo que inclui todos os passos de pós-processamento para uma comparação real.
