Cost estimation of additive manufacturing

Abstract

Additive manufacturing (AM) is a group of modern manufacturing technologies that are defined by being layered manufacturing done directly from a digital mod-el. In the last 40 years AM has emerged as a completely new way of manufacturing to accompany two thousand years old categories of manufacturing, subtractive manufacturing and form-based manufacturing. The main characteristics of AM are the easy manufacturing of complex geometries and its strong linkage to highly automatized digital manufacturing environments. Because of the relative recentness of AM, the accumulated knowledge about it in industry is relatively low. This is one of the key hindrances for wide-spread industrial AM usage. AM related research and its usage have increased exponentially in the last 15 years, which indicates that the need for knowledge of AM is going to increase in the future.

One of the unique characteristics of the costs of AM is the manufacturing volume that each AM machine has. From the cost perspective, the optimal usage of this volume is a critical factor in many AM technologies. In addition to this and other special technical characteristics that define the costs of AM, they might also differ greatly further away from direct manufacturing costs. Such cost drivers include lifecycle costs and logistics costs. Design costs of AM differ also from the equivalent costs of traditional manufacturing. AM enables a significantly streamlined design process that leads to faster product development and faster time-to-market. One of the main aspects slowing down the adoption of AM in industry is the high equipment costs that can climb to millions. The equipment cost is however highly variable between different AM technologies.

The aim of this bachelor’s thesis is to give the reader a clear image of the most important characteristics of AM from technical and cost perspective, in the form of a literature review. This thesis emphasizes the relative differences between AM and traditional manufacturing methods, because this will give a clear point of comparison for a reader that has prior knowledge of manufacturing.

Lisäävä valmistus (AM) on modernien valmistusteknologioiden joukko, jota määrittää digitaalisen mallin pohjalta tapahtuva kerroksittainen valmistus. AM on kehittynyt viimeisen neljän vuosikymmenen aikana täysin uudenlaisena valmistusmenetelmänä tuhansia vuosia käytössä olleiden muottipohjaisen valmistuksen ja ainetta poistavan valmistuksen ohelle. AM:n keskeisiä erityispiirteitä on sen mahdollistama monimutkaisten geometrioiden helppo valmistaminen ja sen vahva yhteys digitaalisiin pitkälle automatisoituihin valmistusympäristöihin. Sen ollessa verrattain uusi teknologia, on myös sen tuntemus alalla vähäistä. Tämä on yksi tärkeimmistä AM:n käyttöönottoa jarruttavista tekijöistä. AM:n tutkimus ja käyttö on kasvanut viimeisen 15 vuoden aikana eksponentiaalisesti, joten sen tuntemuksen merkitys tulevaisuudessa tulee vain kasvamaan entisestään.

Yksi AM:n uniikeista valmistuskustannuksiin vaikuttavista ominaisuuksista on sen luontainen valmistuslaitteen mukaan määräytyvä valmistustilavuus. Tämän tilavuuden optimaalinen hyödyksi käyttö on monissa AM-teknologioissa kriittistä. Tämän ja muiden teknisten erityisominaisuuksien lisäksi AM:n kustannukset poikkeavat merkittävästi perinteisistä teknologioista myös kaukana suorista valmistuskustannuksista, kuten elinkaari-, kuljetus- ja varastointikustannusten osalta. AM:n suunnittelukustannukset eroavat myös selvästi perinteisistä valmistusmenetelmistä, ja se mahdollistaa merkittävästi niitä suoraviivaisempien suunnitteluprosessien käyttöä, mikä nopeuttaa tuotteiden kehitystä ja markkinoille saamista. Yksi AM-teknologioiden käyttöönoton kannalta merkittävimmistä kustannuksista on laitekustannus, joka saattaa kohota miljoonaluokkaan. Laitekustannukset vaihtelevat kuitenkin valtavasti eri teknologioiden välillä.

Tämän kandidaatintutkielman tavoitteena on kirjallisuuskatsauksen avulla selventää lukijalle AM-teknologioiden yleisiä erityispiirteitä tekniseltä kannalta sekä niiden kustannusrakenteen osalta. Tutkielmassa keskitytään erityisesti AM:n vertailuun perinteisten valmistusmenetelmien kanssa, koska tämä antaa perinteisiä valmistusmenetelmiä tuntevalle lukijalle hyvän vertailukohdan AM:n ominaisuuksien merkityksen ymmärtämiseen.