Анализ затрат: литье смолы против традиционных методов производства

Традиционные методы производства: обзор

Традиционное композитное производство охватывает семейство открытых и полуавтоматизированных процессов. Ручная укладка, старейший и наиболее трудоемкий метод, предполагает ручное размещение смокроватных волоконных слоев на одностороннюю форму. Вакуумная упаковка удаляет закупоренный воздух и консолидирует слои, но все же опирается на квалифицированных операторов. Обмотка нити используется для цилиндрических или аксисимметричных деталей, а автоклавная обмотка применяет тепло и давление для достижения фракций большого объема волокна. Эти методы широко используются в морских, ветровых и малообъемных аэрокосмических конструкциях.

Общие характеристики:

• Открытые или односторонние формы — инструментирование дешевле, но часто имеет ограниченную долговечность.
• Высокое содержание ручного труда — операторы должны позиционировать, смачивать и консолидировать волокна.
• Более длительное время цикла — лечение может занять часы или дни, особенно если речь идет о циклах автоклава.
• Более высокие отходы — смешивание, обрезка и упаковка материалов способствуют неэффективности материала.

Подробный анализ фактора затрат

В следующих разделах рассматриваются инструменты, материалы, рабочая сила, время цикла и затраты на нисходящий поток как для RTM, так и для традиционных методов.

Стоимость толинга: авансовые инвестиции против долгосрочной амортизации

Оборудование RTM требует набора металлической формы, часто обработанной с ЧПУ из алюминия или инструментальной стали. Типичная автомобильная форма RTM может стоить от 50 000 до 250 000 долларов США, в зависимости от сложности, размера и требований к терморегулированию. Однако эти формы выдерживают более 10 000 циклов с минимальным обслуживанием, что делает стоимость комплектации на одну часть очень низкой для больших объемов. Дополнительные инвестиции в оборудование для впрыска, прессы для зажима и смесительные / раздаточные устройства увеличивают капитальные затраты.

Традиционный метод оснастки значительно дешевле. Плесень ручной укладки из армированного стекловолокном пластика может стоить от 5000 до 30 000 долларов. Силиконовые или эпоксидные формы для вакуумной упаковки аналогично доступны. Но эти инструменты изнашиваются быстрее, часто требуют замены после 100-500 циклов. Для малообъемных пробегов (например, 50-200 деталей) более низкая начальная стоимость может быть выгодной. Для средних и больших объемов повторная замена инструмента стирает предварительную экономию и создает прерывания процесса.

Для иллюстрации:
Для производства 1000 деталей амортизация инструментов RTM при стоимости формы в 120 000 долларов США равна 120 долларам США за деталь. Традиционная форма стоимостью 15 000 долларов США амортизируется до 15 долларов США за деталь, но если она длится всего 200 циклов, необходимы пять форм на общую сумму 75 000 долларов США (75 долларов США за часть). Добавьте время простоя для свопов формы, и RTM становится конкурентоспособным по стоимости даже при умеренных объемах.

Материальные затраты: эффективность и отходы

Смола и армирование. RTM использует точно дозированную смолу для инъекций, часто с компьютерным управлением смешивания головок, которые минимизируют отходы. Предварительная обрезка может быть оптимизирована, а обрезка лома из конечной части, как правило, низкая (5-10%). Скидки на покупку большого объема для больших объемов ниже материальных затрат на единицу. Например, типичная эпоксидная смола в RTM классах стоит 8-15 долларов США / кг; волоконные армирования в среднем 10-20 долларов США / кг. С высокими фракциями объема волокна (50-60%) и отсутствие ручного перемокания, использование материала является высоким.

Традиционные методы включают смешивание рук и применение избыточной смолы для обеспечения насыщения, что приводит к расходам в 15-30% от оставшейся смешанной смолы, пропитанной тряпки и обрезки лома. Вакуумная упаковка потребляет расходные материалы, такие как пленка для сумок, ткань для дыхания и герметичная лента — добавление 5-20 долларов за деталь. Автоклавные циклы требуют дополнительных материалов для кровоточащих слоев. Для небольших частей эти расходные материалы могут превышать стоимость смолы. В целом, традиционные процессы часто имеют на 20-40% более высокие затраты материала на готовый килограмм композита.

Практичный пример: производство 2 кг каркаса из углеродного волокна. С RTM стоимость смолы и волокна может составлять 40 долларов США, с отходами отделки всего 2 доллара США. При ручной укладке сырье стоит 45 долларов США плюс 8 долларов США в упаковочных расходных материалах, а отходы добавляют 10 долларов США - общая стоимость материала 63 доллара США или на 57% больше.

Затраты на рабочую силу: автоматизация против мастерства

RTM сокращает прямой труд за счет автоматизации впрыска смолы, закрытия пресс-формы и контроля температуры. Один оператор может управлять несколькими машинами, выполняя только подготовку пресс-формы, предварительную загрузку и демольдинг деталей. Время работы 5-15 минут на деталь распространено, в зависимости от сложности. Квалифицированный труд по-прежнему необходим для обслуживания пресс-формы и надзора за процессом, но не обязательно быть экспертными ламинаторами. Стоимость рабочей силы на деталь для линии RTM большого объема может быть всего 3-8 долларов США.

Традиционные методы трудоемки. Ручная укладка сложной части может занять от 30 минут до нескольких часов квалифицированной ручной работы. Вакуумная упаковка добавляет еще 15–30 минут. Автоклавная погрузка/разгрузка и мониторинг дополнительно увеличивают рабочие часы. Квалифицированные ламинаторы требуют более высокой заработной платы. Для типичной морской части стоимость труда может превышать 50 долларов в час, а для одной части может потребоваться 2–4 часа. Таким образом, стоимость труда на одну часть в традиционных процессах часто колеблется от 60–200 долларов и более.

Время цикла и пропускная способность

Время цикла напрямую влияет на производственную мощность и распределение накладных расходов. Циклы RTM варьируются от 15 минут (системы быстрого лечения полиуретановыми) до 60 минут (эпоксидные структурные части). Плесень остается закрытой во время отверждения, освобождая операторов для подготовки следующего цикла. Ежедневный выход на полость формы может составлять 16-32 части. При множественных полостях производственные масштабы линейно.

Традиционные методы имеют более длительные циклы термического и отверждающего воздействия. Ручная укладка с последующим отверждением при комнатной температуре может занять 8-24 часа на деталь. Вакуумная упаковка и отверждение печи добавляет 2-6 часов. Автоклавные циклы с высокой температурой и давлением могут превышать 8 часов. Следовательно, пропускная способность одной формы составляет в лучшем случае 1-2 части в день. Чтобы соответствовать выходу RTM, производителям нужны несколько форм, увеличивая затраты на оснастку и площадь пола.

Влияние на бизнес: если компании требуется 10 000 деталей в год, RTM может потребоваться три полости плесени, работающие 16 часов / день в течение 250 дней. Традиционным методам может потребоваться 20–30 форм и еще большая рабочая сила, резко увеличивая накладные расходы.

Качество, вторичные операции и скраб

RTM производит детали ближнего замыкания с контролируемой ориентацией волокна и содержанием смолы. Поверхности отделываются с обеих сторон, уменьшая потребность в гелевых покрытиях или вторичной шлифовке. Размерная консистенция высока, с коэффициентом изменения толщины менее 2%. Более низкое содержание пустоты (обычно <1%) обеспечивает предсказуемость механических свойств. Скорость переработки и утилизации обычно составляет 2-5%.

Традиционные методы часто требуют вторичных операций: обрезки вспышки, заполнения пин-ходов, нанесения гелеобразного покрытия на свободную поверхность и шлифовки для достижения финиша класса А. Дефекты, такие как пустоты, сухие пятна и расслоения, более распространены, особенно при ручном укладке. Скорость разрыва может достигать 10-20% для сложных деталей. Контроль качества сильно зависит от навыков оператора.

Эти затраты на нисходящее производство должны быть учтены в общей картине затрат. Ремонт дефектной детали в традиционном производстве может стоить 30-50% от первоначальной стоимости производства. В RTM дефекты встречаются реже и часто обнаруживаются раньше (например, путем мониторинга профилей потока смолы).

Анализ безубыточности: когда RTM становится экономичным?

Наиболее важный вопрос для производителя: при каком объеме производства более низкая себестоимость RTM за часть компенсирует более высокие первоначальные инвестиции?

• Пусть I будет дополнительным капиталовложением для инструментов и оборудования RTM по сравнению с традиционным методом.
• Пусть V _{сбережения} будут экономией на части затрат (материал + труд + накладные расходы), достигнутой RTM.
• N = I/V.

Например, если RTM требует на 200 000 долларов больше в инструментах и оборудовании, но экономит 20 долларов за часть труда, материала и расходных материалов, безубыточность возникает при 10 000 частей. Ниже этого объема традиционный метод имеет более низкую общую стоимость. Над ним RTM более экономичен. Для деталей с большой экономией труда (например, сложные формы, требующие последовательного наложения), V_{] Экономия} может составлять 50-100 долларов за часть, принося безубыточность ниже 5000 частей.

Реальные сценарии в автомобильной промышленности показывают, что RTM становится экономически выгодным при годовых объемах 5000-15 000 деталей для структурных компонентов среднего размера. В аэрокосмической отрасли, где затраты на сертификацию деталей высоки, повторяемость RTM часто оправдывает инвестиции даже при 500-1000 деталей в год из-за резко сниженной изменчивости и переделки.

Масштабируемость и гибкость производства

Закрытая форма, автоматизированная природа RTM предлагает явные преимущества масштабируемости. Добавление производственных мощностей достигается за счет создания дополнительных полостей формы и инъекционных блоков с минимальным увеличением непосредственного труда. Процесс может быть интегрирован в бережливое производство с роботизированным размещением предварительной формы и автоматизированной обрезкой. Традиционные методы, напротив, масштабируются в основном за счет добавления большего количества операторов и рабочих станций, что приводит к увеличению нелинейных затрат на рабочую силу. Обучение новых ламинаторов отнимает много времени, и страдает согласованность качества.

Однако традиционные методы обеспечивают большую гибкость для изменений дизайна, малообъемных прототипов и быстрого оборота. Новая форма детали может быть изготовлена из относительно недорогой формы за несколько дней, тогда как оснастка RTM может занять месяцы для машины. Для отраслей с частыми итерациями дизайна (например, пользовательские морские детали) традиционные методы остаются привлекательными. Гибридный подход - с использованием традиционных методов для прототипов и небольших серий, а затем переход к RTM для массового производства - часто является оптимальным.