Лазерная заготовка против механической заготовки: анализ точки окупаемости по стоимости и производительности

Краткое содержание

Для современных производителей выбор между лазерной заготовкой и механической заготовкой уже не сводится только к скорости — это расчёт совокупной стоимости владения (TCO) и гибкости. Данные отрасли последовательно указывают точку безубыточности в диапазоне от 60 000 до 100 000 деталей в год; ниже этого порога модель лазерной заготовки без использования оснастки, как правило, обеспечивает более высокую рентабельность инвестиций. Хотя механическая заготовка остаётся бесспорным лидером в области высокоскоростного стабильного массового производства, лазерная заготовка стала предпочтительным решением для обработки высокопрочной стали (AHSS) и компонентов с высоким разнообразием при низком объёме выпуска благодаря превосходной утилизации материала и качеству кромки.

Фундаментальное различие: жёсткая оснастка против гибкой оснастки

Основное операционное различие между этими двумя технологиями заключается в том, как они определяют «оснастку». Механическая заготовка основывается на Жёсткая оснастка —физические матрицы, изготовленные из инструментальной стали, которые могут весить несколько тонн. На проектирование, изготовление и тестирование этих матриц требуется несколько месяцев, прежде чем будет произведена первая деталь. После запуска смена деталей требует использования тяжелых мостовых кранов и значительного времени простоя (часто 30–60 минут) для замены комплектов физических матриц.

В отличие от этого, лазерная заготовка использует Мягкая оснастка . «Инструмент» представляет собой просто программу ЧПУ, полученную из CAD-файла. Здесь отсутствует физический штамп и нет необходимости в изготовлении матрицы. Изменение конструкции, которое при механической настройке стоило бы 50 000 долларов и заняло шесть недель, может быть реализовано за считанные минуты на линии лазерной заготовки путем загрузки нового файла. Переход от физических активов к цифровым резко сокращает «время до получения детали», позволяя производителям переходить от окончательного утверждения проекта к производству практически мгновенно. Для таких отраслей, как автомобильная промышленность, где смена модельных годов и рестайлинг обуславливают постоянные изменения геометрии, такая гибкость зачастую ценнее, чем высокая производительность.

Анализ затрат и объем безубыточности

Для финансовых директоров и руководителей производств решение зачастую зависит от объема безубыточности. По данным отраслевого анализа, включая отчеты MetalForming Magazine , точка безубыточности обычно находится в диапазоне между 60 000 и 100 000 деталей в год .

Соотношение CAPEX и OPEX

• Механическая вырубка (высокие капитальные затраты, низкая себестоимость единицы продукции): Требует значительных первоначальных инвестиций в штампы (от 20 000 до более чем 100 000 долларов США на деталь) и устройство глубоких фундаментных котлованов для пресса. Однако при запуске производство обеспечивает чрезвычайно низкую себестоимость единицы продукции благодаря высокой скорости работы.
• Лазерная вырубка (низкие капитальные затраты, более высокие переменные затраты): Полностью исключает расходы на штампы. Первоначальные инвестиции в оборудование значительны, но оно устанавливается на стандартном ровном полу. Себестоимость единицы продукции выше из-за расходов на энергию и газовые материалы, однако совокупная стоимость владения остается ниже при объемах ниже порога в 100 тыс., поскольку устраняется высокая амортизация штампов.

Скрытые расходы также играют свою роль. Для механического вычистки требуется много гектаров дорогостоящего площади для хранения и обслуживания. Лазерная очистка освобождает этот капитал, позволяя объектам использовать площадь на полу для активного производства, а не для хранения тяжелых стальных инструментов.

Использование материалов и эффективность гнездования

В автомобильном производстве стоимость материала может составлять до 70% от общей стоимости штампованной части. Здесь лазерное очищение часто превосходит механические методы, независимо от скорости. Механические штампы ограничены физикой стрижки; им требуется "инженерный лом" или проводка между частями для поддержания структурной целостности во время удара.

Лазерная очистка использует Свободное гнездование и общий рез. Поскольку на лист не накладывается физическая сила, части могут быть вложены в миллиметровый диапазон друг от друга или даже разделять линию резки. Нерегулярные формы, такие как L-клапаны или вырезки окон, могут быть переплетены так, что это невозможно с помощью жестких инструментов. Данные Изготовитель указывает на то, что лазерное отключение может дать сбережения от 3% до 20% по сравнению с механической штамповкой. При большом объеме производства дорогостоящего алюминия или высокопрочной стали, 3%-ное повышение урожайности может привести к миллионам долларов ежегодной экономии.

Качество края и пригодность материала (AHSS)

Рост передовой высокопрочной стали (AHSS) усложнил процесс механического выщелачивания. При высокотоннажных прессах сдвигаются AHSS (материалы с прочностью на тягу более 1000 МПа), удар часто вызывает микрофрактуры вдоль края резки. Эти микрофрактуры могут привести к сбоям расщепления во время последующих формовок, увеличивая показатели лома вниз по течению.

Лазерная заготовка — это бесконтактный термический процесс. Он не зависит от материала — так же легко режет сталь с прочностью 1500 МПа, подвергнутую прессовой закалке, как и низкоуглеродистую сталь. Получаемый край свободен от микротрещин, а зона термического влияния (ZTI) обычно пренебрежимо мала (менее 0,2 мм). Кроме того, обработка AHSS на механических прессах ускоряет износ штампов, что приводит к расходам на техническое обслуживание, которые зачастую в четыре раза выше чем для низкоуглеродистой стали. Лазерная резка полностью устраняет этот фактор износа, обеспечивая постоянное качество кромки от первой до миллионной детали.

Скорость производства: разрыв сокращается

Исторически сложилось, что механическая вырубка была бесспорным лидером по скорости, способной обеспечивать более 60 ходов в минуту (SPM). Хотя она по-прежнему имеет преимущество при массовом производстве простых деталей, лазерные технологии быстро догоняют. Современные лазерные линии с подачей рулона используют многошпиндельные системы (часто 2–4 лазерные головки, работающие одновременно) и технологию «DynamicFlow» для достижения эффективной скорости 30–40 и более деталей в минуту.

При оценке скорости необходимо рассчитывать «чистую производительность», а не просто ходы в минуту. Механический пресс может работать быстрее, но если он требует 45 минут простоя на смену матрицы каждые несколько часов, его чистая эффективность снижается. Лазерная линия перенастраивается за 5–7 минут. В условиях производства с высокой номенклатурой, где требуется несколько переналадок в день, черепаха (лазер) часто обгоняет зайца (механический пресс).

Матрица принятия решений: когда что выбирать

Для упрощения процесса выбора используйте эту систему принятия решений, основанную на ваших производственных ограничениях:

Хотя лазерная заготовка обеспечивает непревзойдённую гибкость, реальность массового производства автомобилей зачастую требует огромной производительности традиционной штамповки для зрелых продуктов. Для производителей, масштабирующих производство от прототипа до миллионов единиц, проверенные партнёры по производству вроде Shaoyi Metal Technology преодолевают этот разрыв, предлагая прецизионные штамповочные возможности по стандарту IATF 16949 до 600 тонн, чтобы удовлетворить высокие объёмы, превышающие экономически обоснованный диапазон лазерной заготовки.