A Process-based Cost Model for Wire and Arc Additive Manufacturing

Abstract

In engineering one of the main criteria to evaluate new technology or product is its eco- nomic viability. This can only be done by identifying the costs related to the process or prod- uct. Within the Smart WAAM project, which aims to study the use of wire and arc additive manufacturing (WAAM) technology to create, repair and expand the life of large industrial components, it was necessary to develop a cost model to study the economic viability of this technology. This thesis's primary goal is to develop a cost model for the WAAM technology, consid- ering a product life cycle approach. For this purpose, it was necessary to develop a model to estimate the cost of the WAAM technology, as well as the main factors influencing the cost. A process-based cost model (PBCM) was developed since it allows to analyse the costs of the different life cycle phases of a product and estimates the production costs. The study main steps were the objective and scope definition, using a cradle to gate approach, the pro- cess description, and the cost model's development. The object of study was an experimental WAAM machine developed at NOVA School of Science and Technology, and the functional unit was a hollow stainless steel AISI316LSI cube of approximately 7x7x7 cm. The data collec- tion process included the compilation of secondary data available in public websites, but also primary data was collected through unstructured interviews with researchers who developed and worked with the WAAM machine. The model was validated, and the factors influencing the cost were identified. It was possible to determine that the production of 500 cubes has a total cost of 259.95€ per piece. The WAAM process and the surface finishing process and substrate removal rep- resent 84% of the total cost. The main factors that influence the total cost of the process are the acquisition cost of the machines for the production and parts finishing, the cost of the tools, namely the cutters, and the production overheads.

Um dos principais critérios para a avaliação de uma nova tecnologia ou produto, na engenharia, é a sua viabilidade económica. Esta, só pode ser estudada através da identificação dos custos inerentes ao processo ou produto. No âmbito do projeto Smart WAAM, que pre- tende estudar a utilização da tecnologia fabrico aditivo usando fio consumível e arco elétrico (WAAM) para criar, reparar e expandir a vida útil de grandes componentes industriais, foi necessário desenvolver um modelo de custos que permita estudar a viabilidade económica da utilização desta tecnologia. O principal objetivo desta dissertação é o desenvolvimento de um modelo de custo para a tecnologia WAAM, considerando uma perspetiva do ciclo de vida do produto. Para esta finalidade, foi necessário desenvolver um modelo que permita estimar os custos da tecnologia WAAM, assim como os principais fatores que influenciam o custo. Foi desenvolvido um modelo de custo baseado no processo, pois permite analisar os custos das diferentes fases do ciclo de vida do produto, bem como fazer estimativas dos custos de produção. Inicialmente o estudo consistiu na definição do objetivo e do âmbito, utilizando uma abordagem berço ao portão, a descrição do processo e o desenvolvimento do modelo de custo. O objeto de estudo foi um equipamento experimental desenvolvido na NOVA School of Science and Technology e a unidade de análise foi um cubo oco de aço inoxidável AISI316LSI com aproximadamente 7x7x7 cm. Foram recolhidos dados secundários (por exem- plo preços de energia e matéria-prima) e dados primários recorrendo a entrevistas não estru- turadas a investigadores que desenvolveram e trabalham com o equipamento. Por fim, o mo- delo foi validado e foram identificados quais os fatores que mais influenciam o custo. Foi possível determinar que a produção de 500 cubos, tem o custo total de 259.95 € por peça. O processo WAAM e o processo de acabamento e remoção do substrato representam 84% do custo total. Os principais fatores que influenciam o custo total do processo são: o custo de aquisição das máquinas de produção e acabamento das peças, o custo das ferramentas, nomeadamente as fresas, e as despesas gerais de produção.