电网应用3D打印技术的经济性分析

电网应用3D打印技术的经济性分析

陈小良陈羽飞胡湘燕阳然董其国

（1，中国电机工程学会北京100761；2．清华大学电机系北京100084；3.江苏电力科学研究院南京211103）

摘要：3D打印是一门新兴的制造技术，受到了广泛关注。3D打印技术发展迅速，与传统的减材制造方式相比，具有流程短、材料省、易于成型等诸多优势。随着智能电网的深化应用、特高压输电技术的进一步发展和全球能源互联网的深入研究与应用，电网设备从开发周期、开发成本、制造工艺等角度都对加工方法提出了很高的要求。本文从分析3D打印成本入手，运用层次分析法，将3D打印技术与传统制造技术进行比较，对电网应用3D打印技术的经济可行性进行了较为全面的分析。

关键词：3D打印；层次分析法；经济性分析

1引言

3D打印是指采用打印头、喷嘴或其它打印技术沉积材料来制造物体的技术。3D打印技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。近二十年来，3D打印技术取得了快速的发展。3D打印原理与不同的材料和工艺结合形成了许多3D打印设备。目前已有的设备种类达到20多种。3D打印的特点是单件或小批量的快速制造，这一技术特点决定了3D打印在产品创新中具有显著的作用[1-4]。

3D打印技术在近年呈快速发展的态势，在航空航天、船舶、汽车、医疗器械等领域具有较为广泛的应用。电网设备作为一种综合性能复杂、应用相对广泛的民用产品，其研发和生产过程还主要依靠传统加工制造工艺进行。随着智能电网的深化应用、特高压输电技术的进一步发展和全球能源互联网的深入研究与应用，电网设备从开发周期、开发成本、制造工艺等角度都对加工方法提出了很高的要求。本文从分析3D打印成本入手，运用层次分析法，将3D打印技术与传统制造技术进行比较，对电网应用3D打印技术的经济可行性进行了较为全面的分析。

23D打印成本分析

就3D打印技术的经济性而言，被市场质疑较多的还在于3D打印较高的直接制造成本。从现阶段，3D打印制造的成本构成来看，设备和材料占据主体部分。但二者在随着技术的发展和市场规模的扩大，都存在较大的下降空间，有望在未来带动直接制造成本的下降。

2.13D打印设备成本

设备生产单位产品的制造成本主要取决于两个方面：一是设备本身的购置成本，二是设备的制造速度。

1）3D打印设备购置成本

从历史数据来看，商用3D打印设备的销售价格呈现不断下降的趋势。同时，主要的3D打印设备供应商，打印机的销售毛利率仍然保持稳定[5]。由于技术进步导致制造成本下降，从而引发的价格下降，具有较强的稳定性和持续性。事实上，随着技术进步和3D打印设备生产商的竞争，打印机均价已从2001年接近12万美元降至8万美元，降幅约1/3，而2010年以来的价格上升则是由于金属材料的应用兴起使得对设备的性能要求提升所致。商用3D打印设备的价格水平如图1所示。

图1商用3D打印设备平均售价（2001-2011）

2）3D打印设备制造速度

就制造速度而言，以激光烧结为例，最初的加工速度大致是6ccm/h，现阶段平均制造速度在11~12ccm/h。而基于超声波焊接（UAM）工艺的3D打印速度可以达到492ccm/h，制造速度的提高带来单位部件制造成本的降低。随着技术的不断进步，3D打印的速度将进一步提升，从而降低产品的制造成本。

2.23D打印材料成本

除了3D打印设备成本，另一个直接制造成本的重要组成部分来源于打印材料。3D打印技术的兴起与快速发展，离不开3D打印耗材的发展，不同的应用领域所用的耗材种类是不一样的，所以耗材的丰富和发展程度决定着它是否能够普及使用。目前可用的3D打印材料种类已超过200种，但对应现实中纷繁复杂的产品还是远远不够的。如果把这些打印材料进行归类，可分为石化产品类、生物类产品、金属类产品、石灰混凝土产品等几大类[6]。

目前，3D打印材料成本相对较高，例如聚合物塑料ABS价格为100~2500元/kg，钛合金粉末为1600~1900元/kg，铝合金粉末为300~400元/kg，不锈钢粉末为320~750元/kg，为传统金属材料的5~50倍不等。

图2表示3Dsystems和Stratasys公司主要供应的打印材料的销售毛利率[7]，从图中可以看出，近些年的毛利率基本保持在50%以上，就利润空间而言，还有较大的下降空间。

图23D打印材料毛利率（2006-2011）

总之，经上述分析，在价格方面，由于3D打印设备和耗材在终端制品的成本中占比相当大，未来设备、耗材成本的降低将逐步提升3D打印的经济性。

3层次分析法介绍

层次分析法（AnalyticHierarchyProcess，AHP）是本世纪70年代中期被提出来的一种系统规划方法[8]，该方法被广泛应用于工程、经济、军事、政治、外交等领域。解决诸如系统评估、资源分配、价格预测、项目选择等问题，它是通过应用数学方法将决策规划过程中定性分析与定量分析有机地结合起来，统一进行优化、处理而得到合理结果的一种方法，该方法具有客观性、准确性和有效性，是解决工艺方案择优的非常好的方法和手段[9-10]。

3.1层次分析法基本思想

所谓层次分析法，是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标（或准则、约束）的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序（权数）和总排序，以作为目标（多指标）、多方案优化决策的系统方法。

层次分析法是将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的备选方案的顺序分解为不同的层次结构，然后得用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再用加权和的方法求出各备选方案对总目标的最终权重，最终权重最大者即为最优方案。层次分析法比较适合于具有分层交错评价指标的目标系统，而且目标值又难于定量描述的决策问题。其用法是构造判断矩阵，求出其最大特征值。及其所对应的特征向量W，归一化后，即为某一层次指标对于上一层次某相关指标的相对重要性权值。

3.2层次分析法计算步骤

1）构造判断矩阵

分析系统中各因素间的关系，对同一层次各元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，构造两两比较的判断矩阵。

构造判断矩阵的关键在设法使任意两项指标的相对重要性得到定量描述，为此可采用分等评分的方法标度法来判断[11]，如下表所示：

2）由判断矩阵计算被比较元素对于该准则的相对权重，并进行判断矩阵的一致性检验。

3）计算各层次对于系统的总排序权重，并进行排序，得到总目标的总排序。设有n个指标，其权值分别为w1，w2，…，wn，对其指标进行两两比较，则形成的n阶方阵为：

由于A具有如下特性：akk=1，akj=1/ajk，aij=aik/ajk，故该矩阵有唯一的非零最大特征根且特征根为λ。相应地，W为矩阵A的最大特征根所对应的特征向量，即可通过求矩阵A的最大特征根及其特征向量的办法，来求出W的值。

4电网应用3D打印的经济性分析

由于电网应用3D打印技术的经济性涉及多个方面的指标，一般方法难以筛选出一套将经济可行性进行全面综合反映的指标体系。层次分析法具有可将复杂问题有关因素分解成目标、准则、方案等多个清晰层次的有点，因而适用于复杂问题评价指标体系的构建。因此我们在对3D打印进行技术经济分析的基础上，对常规制造方法与3D打印技术用于电网设备设计和制造环节的可行性进行综合分析和评价，确定优选方案。

4.1设计方案层次结构模型

（1）建立层次结构模型

为进行方案对比，首先分析电网设备设计和制造环节不同方案的各影响因素，将不同因素划分不同层次，用图3说明层次递进结构与因素的从属关系。以综合效益为目标，经济效益、技术性能、管理效益为准则，制定了9项指标，比较两种不同方案的优劣，可分为4层。第一层是目标层U，目标是综合效益最大。第二层是准则层，共有3项准则A1、A2和A3。并且，第二层3个元素都与第一层U有关系。第三层是指标层，共有9项指标B1~B9，并且A1与下层B1~B3有关，A2与下层B4~B6有关，A3与下层B7~B9有关。第四层是方案层S，两种方案都与各种指标有关。构成层次结构模型图。

图2层次分析结构图

（2）准则层和指标层影响因素权重赋值

准则层的判断矩阵见表2，指标层的判断矩阵见表3~表5。表中数据是通过对过去工程资料的分析、理论计算、专家咨询后确定的。对各层元素依据其重要性构造各个判断矩阵，并检验其一致性，最终确定可以应用的权值。

以上的解W即为某一层相应因素对于上一层某因素相对重要性的排序权值。

4.2设计方案层个体评判指标

4.2.1两种方案的经济效益比较

经济效益准则下的三个指标（材料成本B1、加工成本B2、设计成本B3）均为定量指标，可以用相对比价来分析，其中材料成本和加工成本可以用某一项产品为例来进行分析，表6是某电网线路器材制造成本对比分析表，本小节的计算过程以表6中的数据作为计算依据。

指标一：材料成本

由于3D打印材料成本是普通材料成本的数十倍，且目前打印过程需要成型材料和支撑材料共同完成，这对于采用3D打印技术成型的零件来说是相对较高的。但是，基于3D打印技术的产品开发设计工艺流程降低了制造工艺复杂度，对降低开发设计过程中的制造成本具有直接的促进作用。

从表6可以看出，传统制造工艺的模具成本较高，但随着产量增加，模具的成本分摊到每件产品就会越来越少。为了更准确地比较两种工艺的材料成本，可以假设产量为x件，那么两种工艺的平均材料成本（元/件）可以写出来：

a.传统制造：

b.3D打印：832

可以看出，随着产量增加，传统制造工艺的平均材料成本是不断下降的，而3D打印的平均成本保持不变。可以计算得到，当产量为17.3件时，两种工艺的材料成本相等，当产量超过17件时，传统工艺的成本更低。

如果用相对比价来反映材料成本这一评价指标，则结果如下：

a.若产量小于17件。3D打印成本更低，因此指标值为u2(B1)=1；传统工艺的指标值为u1(B1)=1-(19.25+14040/x-832)/(19.25+14040/x)；

b.若产量大于17件。传统工艺成本更低，因此指标值为u1(B1)=1；3D打印的指标值为u2(B1)=1-(832-19.25-14040/x)/832。

指标二：加工成本

同样以上述产品为例，分析两种制造工艺的加工成本。根据表中的数据，传统制造工艺的加工成本主要为模具加工成本，为14310元。3D打印技术的加工成本为设备使用费用，为19200元。考虑到模具成本随着产量的增加会逐渐降低，而3D打印对于每一件产品的加工费基本相同，因此就加工成本而言，3D打印远高于传统制造工艺。因此指标值可分别取为1和0。

指标三：设计成本

3D打印技术的应用可以为产品研制节约大量资金。按照常规的注塑产品研发流程，生产周期长、品质低、人工成本较高。以某一产品的研制为例，该产品最终定型时的注塑模具为9.8万元/副，而基于3D打印的手板费用仅需0.28万元。与此同时，计算机辅助设计和3D打印技术协同进行，能够大大缩短研发周期。考虑设计成本相对比价，两种方案的指标取值为

u1(B3)=(9.8-9.8)/9.8=0

u2(B3)=(9.8-0.28)/9.8=0.971

4.2.2两种方案的技术性能比较

技术性能准则和管理效益准则下的6项指标为定性指标，对于定性指标，用专家评分法，表7给出评分标准。

在工艺方面，随着科技的不断进步，产品更新换代速度越来越快。同时，在市场竞争的压力下，企业需要快速高效地研发出满足用户需求的新产品。此外，企业不仅需要保证产品的品质，在产品价格上也需要具有一定的竞争优势。基于传统的产品设计流程已经难以满足上述要求，3D打印技术的发展恰恰为产品快速制造带来了颠覆性的技术突破。

采用3D打印技术的产品设计流程能够快速实现产品方案的确认，大幅缩短产品开发周期，在确定的产品方案基础上进行模具设计制造，大幅提高模具设计的准确性，减少模具费用支出，降低产品开发成本。

传统的制造工艺无法一次成形复杂的金属件，须由多单件组成复杂件，这将使得安装工艺和工序多重化和复杂化。

4.2.3两种方案的管理效益比较

目前，电力器材常规制造和使用存在库存量大、采购成本高、施工效率低、生产制造效益低等问题，3D打印技术相比传统制造工艺，存在以下优势：

1）减少库存。从制造模式来说，过去是生产线规模化生产，今后则可能更多的是个性化的定制生产，产品上市时间缩短，同时不再需要库存大量零部件，也不需要大量生产。

2）柔化供应链。在传统制造业模式中，客户提出生产需求时，须根据市场预期确定每批生产数量后开展批量生产，一旦工厂投入运作，生产线很难再停下。而3D打印则可先打印实验性产品，依据市场反馈效果后再做决定，更易于根据市场的反馈进行产品的优化升级。

3）减少原材料投入。3D打印运用“增材制造”技术，使企业在原材料上的投入减少，所需的原材料仅为传统制造技术的1/10左右。同时还可以减少废料，从而大幅减少材料浪费。

综上，指标4~指标9的评分结果如下。

4.3方案综合排序

1）方案的单排序

有了前面方案层个体评判指标的取值，就可以形成方案层个体评判指标矩阵：

假设随着产量减少，到某一水平时两种工艺经济性相同，那么可以反解出产量值。根据公式计算得到当产量约为10件时，两种工艺经济性相当。当产量超过10件时，传统制造工艺更为经济。

综上可以得出结论：在综合考虑经济效益、技术性能和管理效益等指标，当产量不超过10件时，选用3D打印技术更为经济；当产量超过10件时，选用传统制造方法更为经济。

实际上，新产品特别是电网设备的研发是一个设计方案从不稳定到稳定的过程，方案的改变导致样品制造的成本上升，这对采用3D打印技术来说经济效益是十分明显的。同时，基于3D打印技术的产品研发能够大幅缩短电力产品开发试制周期。不过从目前来说，3D打印完全取代传统制造业还需经历一个漫长的过程。短期内，3D打印还只能取代生产过程中的某些工艺流程，如铸造、切削等工艺，而对冲压等工艺则影响不大，其应用领域还比较狭窄。在批量制造时，规模经济效应会产生明显作用，低成本的传统减材制造法仍具有生存空间。

5结论

总体而言，要理性看待3D打印。目前该技术尚不具备完全取代传统制造业的条件，但在小批量试制时可能存在经济优势。由于打印设备和打印材料的成本偏高，导致3D打印成本总体成本居高不下，大批量制造时，单个产品的平均制造成本依然处于较高水平。但在产品设计定型阶段，小批量制造时，由于3D打印省去了开模等费用，有一定竞争优势。

3D打印材料成本依然相对较高，打印速度也还有较大的提升空间。随着3D科技的进一步发展，3D打印设备的成本的降低，其打印工时费也会较大降低，进一步产业化后，可能成为一种重要的制造技术。

参考文献References

[1]卢秉恒,李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展.机械制造与自动化,2013:6:1-4.

[2]吴怀宇.3D打印：三维智能数字化创造.北京：电子工业出版社,2014-1.

[3]HartmutStahl.3DPrinting:RisksandOpportunities.Darmstadt:Oko-Institutee.V.2013.

[4]KassimiAbdellah,BeqqaliOmarEl.3Dmodelretrievalbasedonsemanticandshapeindexes.InternationalJournalofComputerScienceIssues,2011(8):172-181.

[5]杜崇铭,林湖彬,张姿.3D打印设备的发展及应用.科技视界,2015(4):106-106.

[6]余冬梅,方奥,张建斌.3D打印材料.金属世界,2014(5).

[7]孙建明,童泽平,殷志平.3D打印的市场应用及发展前景分析.现代商贸工业,2014,26(18):81-82.

[8]赵焕臣,许树柏,和金生.层次分析法.北京：科学出版社,1996.

[9]彭国甫,李树丞,盛明科.应用层次分析法确定政府绩效评估指标权重研究.中国软科学,2004(6):136-139.

[10]邱燕燕.基于层次分析法的网络信息资源评价.情报科学,2001,19(6):599-602.

[11]骆正清,杨善林.层次分析法中几种标度的比较.系统工程理论与实践,2004,24(9):51-60.

作者简介

陈小良，女，汉，教授级高工；供职单位：中国电机工程学会；供职单位所在省市：北京市西城区白广路北二条；单位邮编：100761

陈羽飞，女，汉，高级工程师；供职单位：中国电机工程学会；供职单位所在省市：北京市西城区白广路北二条；单位邮编：100761

胡湘燕,男，大学本科学历,高级工程师、注册安全工程师；供职单位：中国电机工程学会

阳然，女，汉，本科；职称：工程师；研究方向：电气工程；供职单位：清华大学；供职单位所在省市：北京市海淀区；单位邮编：100084

董其国，男，汉，本科；职称：高级工程师；研究方向：电气工程；供职单位：江苏电科院