3D プリンティングは、従来の生産プロセスだけでなく、補助的な機械加工作業やカスタマイズされた最終用途部品の分野でも大量生産に導入されつつあります。 3D プリントの価値は、生産の初期段階ではその利点が現れませんが、実際の操作計算を通じて最終的には異なる結果をもたらすでしょう。 この投稿は、コストと ROI の計算を通じて 3D プリントの経済性を理解するのに役立ちます。投資収益率 (ROI) は、投資収益率を計算するために使用される評価ツールです。 これは製造技術にも当てはまり、生産に 3D プリント装置を使用することでどれだけの利益が得られるか判断するのに役立ちます。 3D プリンターの価格は高額に聞こえるかもしれませんが、日常的な人件費、試作、金型製作費、機械の消耗など、「通常の」製品の製造コストを削減することで、このような 3D プリンターはコストを節約でき、投資する価値があります。次に、簡単な計算分析を通じて3Dプリンターの投資収益率を理解しましょう。
1. 3Dプリント部品のコストを計算する 3D プリンターの ROI を決定する最初のステップは、部品あたりの材料コストを計算することです。 Markforged の Eiger ソフトウェアには、材料推定機能があります。 以下では、ブレーキレバー部品のサンプルをケーススタディとして使用します。図に示すように、13.16 立方センチメートルのオニキスと 17.30 立方センチメートルのカーボンファイバーを使用しました。
（バイクブレーキレバー模型の内部図）
当社のウェブサイトの材料セクションでは、ロールあたりの各材料のコストと量を確認でき、そこから立方センチメートルあたりの価格を計算できます。 Onyx を例にとると、現在の材料ロール 1 個あたりの価格は 190 ドル (800cc) で、1 立方センチメートルあたり 0.24 ドルです。一方、炭素繊維材料の現在の価格は 1 ロール 150 ドル (約 50cc) で、1 立方センチメートルあたり 3.00 ドルです。この部品の材料コストは、次の式で算出できます。
(立方センチメートルあたりのプラスチックのコスト * プラスチックの体積) + (立方センチメートルあたりの繊維のコスト * 繊維の体積) = 合計コスト ($0.24/cc * 13.16 cc) + ($3/cc * 17.30 cc) = $3.16 + $51.90 = $55.06
したがって、このブレーキレバーの製造にかかる総コストは 55.06 ドルになります。 3D プリントについて知っている人にとっては、このコストは少し高く感じるかもしれません。 しかし、細かく見てみると、そのほとんどは連続カーボンファイバーのコストであり、このブレーキレバーの強度は金属製のブレーキレバーに匹敵することを意味します。 もちろん、この強度を実現するためにすべての部品にカーボンファイバーを使用する必要はなく、効率的な光ファイバー配線を使用することで消耗品コストを削減し、印刷時間を短縮することもできます。
さらに、Markforged 3D プリンターの価値の 1 つは、その汎用性にあります。異なる繊維を使用することで、異なる材料特性を実現できます。 たとえば、グラスファイバーはカーボンファイバーとほぼ同じ強度を実現できますが、最終的には完成品がより重く、硬くなります。重量を考慮せず、強度のみを考慮する場合、グラスファイバー消耗品は 1 立方センチメートルあたり 1.50 ドルで、これもより良い選択肢です。 グラスファイバー用に最適化された同じ STL ファイルを使用すると、最終的なコストは異なります。 コスト計算方法は次のとおりです。
(立方センチメートルあたりのプラスチックのコスト * プラスチックの量) + (立方センチメートルあたりのガラス繊維のコスト * ガラス繊維の量) = 合計コスト ($0.24/cc * 14.07 cc) + ($1.50/cc * 13.61 cc) = $3.38 + $20.42 = $23.80
3D プリントにグラスファイバーを使用すると、同様の材料強度を実現でき、31.27 ドルを節約できます。 したがって、部品に必要な特性を決定することが重要です。 実際の製造工程では、生産・製造に最も適した材料を選択する必要があり、これによりコスト削減に効果的に役立ちます。 カーボンファイバーを充填せずに部品を印刷しても、製品の強度要件を満たすことができます。強度は形状に依存しますが、部品の形状と荷重条件を使用して部品全体の繊維ルーティングを最適化し、必要な強度を達成できます。 たとえば、1 つの平面のみで曲げを防止する必要がある場合は、繊維充填コンポーネントの代わりにサンドイッチ パネルを使用できます。 これらの技術により、コストをさらに削減し、強度、美しさ、精度に優れた部品を得ることができます。
2. 代替生産のコストを決定する<br /> 3D プリント部品の最終コストが 55.06 ドルであることが確認できたので、他の製造方法のコストと比較することができます。 従来の製造プロセスでは、一般的に CNC フライス加工を使用して部品を製造し、部品コストはサードパーティの製造サプライヤーを通じて見積もることができます。 部品の生産数量が 100 未満の場合、単価は 195.95 ドルになります。数量が 100 を超える場合、単価は 117.11 ドルになります。処理方法によって原価は異なります。 たとえば、従来のプロセスで金型を製造する場合の初期コストは非常に高くなりますが、金型が確定し、大量生産が行われると、部品の単一コストは最小限に抑えられます。
2 つの製造方法を比較すると、価格差 (部品あたりの CNC 加工コストと部品あたりの印刷コスト) が 140.89 ドルで、3D プリントの方が安価なオプションであることがすぐにわかります。 ただし、3D プリンターには初期設備コストがかかるのに対し、CNC 加工サービスは部品単位でしか動作しないため、多くのエンジニアや設計者が 3D プリンターの製造コストを検討するときに懸念を抱いていることに注意することが重要です。 CNC 加工で製品セットを生産するには数百ドルしかかかりませんが、Markforged 3D プリンターを購入すると 13,499 ドルかかります。
3. 損益分岐点を見つける<br /> 加工のために第三者に送るモデル、ツール、製品ごとに、部品 1 個あたり 140.89 ドルを節約できます。次に、「損益分岐点」に達するために必要な部品数を見積もることができます。つまり、機械のコストを相殺するために処理する必要がある部品の数を計算します。たとえば、部品を 1 つだけ 3D プリントする場合、Markforged 3D プリンターでは部品が約 96 個必要になります。
$13499 / $140.89/個≈96個（部品）
4. 投資収益率：3Dプリントの価値
96 個の部品を社内生産用に 3D プリンターを購入するほどの価値はないように思えるかもしれませんが、この単純な計算には多くの抽象的な概念が含まれています。 3D プリントにより、各コンポーネントに必要な設計および製造コストが削減されます。同じブレーキレバーの以前の射出成形プロトタイプのコストは 2,865 ドルでしたが、その設計に変更を加えた場合は、設計変更ごとに射出成形プロトタイプのコストを含める必要があります。3D プリンターのコストは一度だけ支払う必要がありますが、金型とプロトタイプのコストは設計変更ごとに発生する必要があります。これらの間接コストと部品の製造時間により、製品開発サイクルが意図せず延長され、3D プリント装置への投資がさらに重要になります。
「地元のサプライヤーに部品を機械加工してもらうと400ドルかかり、2週間半ほどかかります。私たちは週末に部品を3Dプリントしました。製造工場は3Dプリントされた部品の品質を認め、おそらくより良いと思ったのでしょう。そして、それは今でも使われています」と、Arow Globalの新製品設計エンジニア、ジョー・ウォルターズ氏は語ります。
「ソフトモールドの製造コストを含め、3 つの従来の金型鋳造方法を使用して 5 つの部品を鋳造することで、3D プリント製造のメリットを実感しました。」
(時間とコストを節約するために Markforged 3D プリンターを使用する Arow Global の比較)
5. 投資収益率を計算する 投資収益率は、従来の製造方法の設計およびツールのコストと、3D プリンターによって生成される製品コストを比較することで計算できます。 これは実際に印刷する枚数に依存します。1 つの部分だけを印刷するプリンターを購入しても、投資する価値はありません。 ただし、より多くの部品を印刷する場合、Markforged 3D プリンターは、各製品設計の反復中に、製品開発プロセスをより効率的に、より時間を節約しながら進めることができます。
(3D プリントされたソフトジョープライヤーを使用すると、複雑な機械加工部品の製造を簡素化できます。)
射出成形モデルを設計していると仮定して、上記の例を使用して ROI データを計算します。射出成形モデルのコストは 2,865 ドル、部品 1 個あたりの製作コストは 3.46 ドルで、プロ仕様の 3D プリンターがなければ、部品の設計反復ごとに 2,869.46 ドルのコストがかかります。したがって、投資収益率は次の式を使用して計算できます。
投資収益率 = 100% * (投資収益 - 投資コスト) / 投資コスト。
この式により、従来の射出成形と比較して、積層造形を使用するとどれだけコストが節約されるかが明確にわかります。 生産を微調整したい 3 つの異なる製品に取り組んでいて、各製品が 3 回の反復を経ることが分かっている場合、各製品には 9 つの部品があり、それぞれに独自の金型またはツール プロセスがあることになります。 抽象的な概念として、上記の射出成形金型の見積もりを使用して投資収益率を計算します。 投資コストは 3D プリンターのコストです。この場合、生産には Markforged 3D プリンターが推奨されます。
投資収入 = (9 × 2,869.46 ドル) - (9 × 55.09 ドル) = 25,329.33 ドル
対応する ROI を計算するには:
ROI = 100%*($25,329.33 - $13,499)/$13,499 = 87.6%
この数字は、プリンターを購入することで得られる正味の「金額」です。 9 つの製品プロトタイプにおいて、Markforged Enterprise Kit は 3D プリンターのコストを回収しただけでなく、コストを 87.6% 削減しました。 これは、プロトタイプ作成だけでなく、間接的に生産コストを削減し、無限のイノベーション能力を提供できる 3D プリントの真の能力を示すものです。 Markforged 3D プリンターの利点は、治具や固定具、さらには射出成形金型など、高強度の部品を印刷できるため、製造コストを大幅に削減できることです。 印刷速度と品質により製品開発サイクルが短縮され、お客様は 1 日もかからずに優れた特性を持つ高性能部品を製造できるようになります。どのような部品を製造する場合でも、製品の強度と品質が保証されれば、3D プリンターは速度と製造コストの面で従来の機械加工よりも優れています。
出典：華栄精密
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