购入金属增材制造系统的成本及考虑因素

金属增材制造从未如此大受欢迎，增长从未如此迅速。以前，一家公司可能会购买一两台机器用于资格认证和测试。但如今有些公司会一次性购入多台机器用于批量生产。2017 年 9 月，中国一神秘用户购入 SLM Solutions 的 50台金属增材制造机器，总价达 4300 万欧元。随后一位亚洲用户也购入了 20 台机器，总价达 3700 万欧元。而其他机器制造商也不甘落后。

目前市场上大多数金属增材制造系统采用的都是粉末床熔融技术，而这一领域的企业巨头主要有 EOS、通用电气、雷尼绍、SLM 和 3D Systems。此外，荷兰 AdditiveIndustries, AddUp, 铂力特、华曙高科和 Realizer 也有提供金属粉末床熔融机器。2017 年沃勒斯报告就列举了全球28家生产金属粉末床熔融系统的公司，其中15家位于亚洲，11 家在欧洲，而美国只有两家。其中一家是通用电气，收购了两家欧洲公司 Arcam 和 Concept Laser 才进入了金属增材制造领域，而另一家 3D Systems 同样是收购了两家欧洲公司 Phenix Systems 和 LayerWise 正式进入金属增材制造市场。

金属增材制造机器

工业级设备的价格并不是那么容易得知的，而 2017年沃勒斯报告就公布了金属增材制造设备的基价。从相对小型和基本配置的设备到可以制造出全尺寸 V6 发动机一样大的零部件的设备，定价从 11.5 万美元到 190 万美元不等。随着企业越来越多推出自己的系统，定价范围和可选择范围越来越广，愈演愈烈的竞争开始迫使价格下降。

粉末回收分筛设备是金属增材制造系统的重要组成部分。一些设备制造商会将分筛设备与机器价格捆绑在一起。为了避免购买后产生不必要的麻烦，在购入设备前了解机器包含什么部件是很重要的。用户由于没有正确的提问而导致漏掉某些部件这种情况很常见。如果不了解某些工艺步骤和“隐藏”成本，那则很难知道应该问什么问题。

大多数金属粉末床熔融系统都是在惰性气体下运行，以减少气体污染。惰性气体有助于确保空气中的分子不会改变正在打印的零件物理特性。使用氩气、氮气、真空环境或上述气体组合可以消除多余的气体。一个系统每年花在氩气上的成本就超过 1.2 万美元，实际成本取决于当地的天然气价格、机器的气体使用方式、使用时长和机器大小等因素。如使用氮气，则可以使用氮气瓶或制氮机。

设备成本

当周边温度和湿度维持在设备制造商建议的水平，金属粉末床熔融系统运行得最好。空调、加湿器或除湿机通常都是必要的。这些的初始成本可能在 1 万美元内，但设备的数量则取决于摆放机器的空间大小。

而建筑本身可能也需要一些改变。门口可能需要加宽或可能需要拆除墙壁，方便设备移动。通风设备也是必要的，减少细小粉末这类材料产生的危害。另外，机器重量也是要考虑的因素之一。最近有个案例就是因一台重达 5 吨的机器需要改变工厂地面结构，安装钢板分散负载重量。

安装金属粉末床熔融系统时通常都需要新的气管和电气变更。如果使用或储存反应性金属粉末，如铝和钛，应禁用喷淋式灭火系统，因为金属粉末可能与水发生反应。如果机器是放置在相对较小的封闭空间中，并使用氩气，建议安装显示气体水平的传感器，因为如发生氩气泄露可能导致房间内的人窒息。

配件及其他费用

工业压缩机是必需的，成本大约是3万美元。用于清洁附着在零件上的粉末的喷砂器需要花1.2万美元。喷丸加工柜用于改善零件表面光洁度，这个配件与喷砂器相似，但通常以小球轴承的形式，使用较大的介质打磨平整较为粗糙的表面。喷丸加工柜的价格是1.5万美元。定价为1.8万美元的工业吸尘器也是必需的，可与反应性粉末一并使用。

热处理炉的成本大约在 1.5 万至 3 万美元，用于处理钛金属的价格高至 10 万美元。将打印好的零件从构建板上移除还需要专业设备，这个设备由一个成本大约在 1 万至 2.5 万美元的标准带锯机和一个电火花系统组成，整个设备成本大约是 5 万至 20 万美元。机器每年用电成本是3000 美元，实际成本取决于当地电价。此外，还需要使用热等静压（HIP）来消除金属零件的孔隙和微裂纹。这项通常都是使用外包服务，但对于航空航天和某些结构部件应将其纳入预算考虑范围内。一套 HIP 系统大约要花费 150万至 300 万美元。

软件许可费用每年花费大约是 3000 美元左右，具体费用取决于所购买的设计和增材制造机器软件模块。根据所需的服务级别，增材制造机器每年的维护费用从 1 万到3 万美元不等。初次购买机器的费用一般都包含了第一年的维修期。金属粉末床熔融机器使用的过滤器成本可能低至 30 美元一个，但根据某些生产系统所需的类型，价格可能高达 7000 美元。其他一些配件都有一定的成本，如构建板、双涂层刮刀器和激光器。

此外，还需要使用安全设备来保护操作员，避免直接接触金属粉末。这部分的成本可能是从几百美元的手套和口罩到价值几千美元的内置空气过滤装置的全身套装不等。

人才和劳动力需求

一台金属增材制造机器操作和部件加工每年可能花费15 万美元。而这些零部件的后处理可能需要大量人力，在零部件完成并冷却后去除周围的粉末。在清除完这些粉末后，零部件和支撑结构也需从在构建板上脱离出来。零部件上的孔洞、空腔和一些难处理的区域都需要手动使用工具、压缩空气或爆破去除掉一些多余的粉末。

将零部件从构建板上移除前还需将零部件、支撑结构连同构建板放入炉中消除热应力，不然零部件中存在残余应力，从构建板上移除时容易发生翘曲的情况。消除应力后，零部件和支撑结构就可以从构建板上脱离出来了。然后就是使用手动切割、铣削、研磨和其他方法将支撑结构移除掉。

一些零部件需要经过 HIP 处理。进一步的热处理可以加强和硬化零部件。如零件表面需要精确尺寸和平整度，通常还需进行 CNC 加工，这些费用都需纳入考虑范围。有些零件可能还需要滚磨、电抛光或进行其他表面处理。最后一步就是检查。

设计

购入金属增材制造系统时最重要的一个考虑因素是需要增材制造设计（DfAM）。好的设计可以减少支撑结构、材料、零件重量、库存、维护和装配劳动力，从而节省大量成本，使得产品性能更好，更具竞争力。一人参加为期三天的优质实践 DfAM 培训可能就要花费 3000 美元或更多。还要考虑到设计师或工程师将他们所学转化为实际产出所花费的时间。

使用 DfAM 时，构建方向的考量是很重要的。从侧面、倒置或一定角度打印零件可以减少支撑材料和移除的需要，毕竟移除这一步骤可能要花费几天的时间、还有大量精力和技巧。而 DfAM 技术同样可以减少支撑结构。对构建室中的零件进行适当包装非常重要，可从粉末床熔融工艺所带来的经济规模中获益。

其他考虑因素

由于增材制造技术生产金属零件具有一定成本，因此大多数公司购买金属增材制造系统的目的在于将其用于生产应用。需要经过多次尝试才能打印出合适的，正确的零件的情况并不罕见。这过程可能会花费很高，因为一个零件可能需要几天、一周甚至更长时间才能打印完成。热变形是生产过程中遇到的一大问题，使用 3DSIM、MSCSoftware、Autodesk Netfabb 等公司的软件工具有助于预测变形位置并优化支撑结构的数量和位置。

金属粉末床熔融系统有许多安全考虑因素，其中之一就是反应性粉末的使用，如钛和铝。在正确的条件下，两者都可以点燃，燃烧甚至爆炸。事实上，细铝粉可用于爆炸物和烟火显示器。因此，使用这些类型粉末时需采取特殊的安全措施，至少需要配备一个D级灭火器。粉末的储存，特别是大量储存，也需特殊考量，因花费可能很高。

世界上有许多类型的金属增材制造系统。目前为止，粉末床熔融是最受欢迎的。如没有是先了解这些系统，那在购买系统时遇到的费用问题和一些考虑因素可能会令你措手不及。事前先进行一些研究并了解各种类型系统之间的差异，还有辅助设备，工具和技能的需求，以及生产优质金属 AM 零件所需的许多工艺步骤，这都是非常重要的。