泵轮制作的时间和成本大比拼:传统铸造工艺与3D Systems QuickCast工艺

发表于 2017-1-6 19:07:09 显示全部楼层 0 3474

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Tech Cast LLC是高品质精密铸造的领先供应商。公司的专长之一是制作大型且复杂的泵轮铸件,重量可达50磅(158.76千克),直径长达30英寸(76.2厘米)。

设计一个性能良好的泵轮是一大挑战。被泵取的液体常常具有复合成份且流速和流量都很高。当前的分析工具只能对泵的性能进行粗略评估,实际性能还得通过实验来确定。因此,实现泵轮的最佳性能是一个迭代的过程:模型设计、泵轮制造、性能测试、设计调整,直到达成最优设计, 否则需要一直循环此过程。

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然而在现实操作中,以这种方式优化泵轮性能非常昂贵。模具成本很高,交货期也很长,特别是对于Tech Cast这种制造大型泵轮的制造商来说。含内流道的产品因为通常需要型芯,该型芯要么是可溶性物质要么是陶瓷等,所以需要制作两套模具来完成。这个过程不仅仅是简单地需要重复修改设计或者重建模具进行设计变更评估。因此,泵轮制造商在泵轮达到合格性能时就停止迭代了。他们无法承受因为要达到最优设计,而需再次迭代所产生的成本和时间。

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QuickCast原型只占传统模具制作成本的一小部分

Tech Cast公司开创了一个新流程,可极大减少每次迭代耗费的成本和时间。这样一来,泵轮制造商只花费比之前制作一个铸件更少的时间,就能制作出更多设计版本的泵轮。Tech Cast公司使用3D Systems的QuickCast服务制作原型,就无需再制作每次迭代所需的模具。QuickCast制作的原型可作为直接铸造用原型(通过3D打印工艺来创建原型),现在在北美是常用的直接原型制作技术。有了QuickCast原型,无需耗费时间来制作蜡模所需模具就能得到铸件,如此一来,数天内就可以评估新设计,而不是数月。

QuickCast原型只占传统模具制作成本的一小部分,并且一周内就能完成,所以在3周内完全加工泵轮是可行的。QuickCast工艺制作的树脂原型内部是中空的,加温可能导致原型膨胀,但是因为有蜂窝状的结构,避免了把模壳撑坏。这样最大程度地减少了原型所用的材料,另外可以说是几乎无灰燃烧,也能够快速地完成铸造工序,而无需其他额外步骤。

最近,Tech Cast和3D Systems一起为QuickCast工艺量化其优势。一个直径约15英寸(38.1厘米)双吸式泵轮被用于研究。铸件分别通过蜡模,和3D Systems的QuickCast原型铸造而成。

铸造过程的每一步耗费的成本和时间都被记录,因此可以做出精确的比较。

第一个步骤是创建铸件的CAD模型。客户确定了需被制作的泵轮。铸造厂必须放大泵轮的缩率,以抵消在铸造中金属的收缩,增加后期加工定位特征和浇铸口。传统铸造工艺和3D Systems的QuickCast工艺都需要更改CAD模型,CAD建模通常需要花费1周时间。
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泵轮原型

在传统铸造工艺中,数模是直接发送给制作蜡型的模具厂。针对这个泵轮,制作模具将耗费4万美元,工期需要7到9周。
而Tech Cast公司采用的QuickCast工艺是这样的。CAD模型被发送到3D Systems公司,通过QuickCast工艺制作了原型。制作原型的成本仅为3150美元,只需要1周时间。
在传统铸造工艺中,工厂只能在收到所需模具后,才能加工原型,泵轮铸件再通过Tech Cast公司的传统熔模铸造工艺制作而成。过程中大多数的劳动量都是加工原型和创建组装件。
而收到QuickCast 制作的原型,与传统铸造工艺会有细微的差别,因为QuickCast 的原型在铸造前是需高温气化掉的,所以需要设计排气口,而不是像传统失蜡铸造那样融化原型。因为无需劳力用于加工原型,实际上QuickCast制作的原型在铸造过程中几乎没有什么劳动含量,但它需要额外的数小时用于制程变更。

下图是Tech Cast的工艺和传统铸造工艺关于泵轮的对比。
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使用Tech Cast采用的QuickCast工艺制作的泵轮大概仅需传统铸造工艺的1/3时间,也仅需传统制造1/10的成本。另外,通过QuickCast原型制作的铸件仅需81美元的少量劳动(假定1小时60美元的劳动负担率),远低于传统铸件所需的劳动成本。
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组装好的泵轮原型

相较于传统工艺,新方法大大缩短周期,在原本只能完成一个铸件的时间内至少可以进行2次铸造及修正。

假设当第一个铸件被测试了,性能并不合格。制造商将进行工程变更来改善性能并制作第二个泵轮来进行测试。铸造厂将制作经过修改的铸件模型。因为当只有一个地方需要被改变时,不需要整个星期的时候来创建初始模型。我们设定数天的时间可以将设计变更实现在铸造模型上。
在传统铸造工艺中,制作原型所需的模具随着设计的变更也必须进行改变。进行变更所需的成本和时间也决定于这是一次怎样的变更,平均来说即使一个细微的变更也需要15%的模具制作成本和2周的时间。修改过的模具将被用于制作一个新的原型。
在Tech Cast公司的工艺中,最新的模型将被用于制作新的QuickCast原型,直接用于铸造。
下图总结了完成第二个泵轮的2种方式。
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泵轮铸件
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模壳

使用传统铸造工艺,如果经过设计变更,泵轮性能可以被接受,那么制造商就有可能进入生产。此时这个项目已经落后于进度,进入市场的急切已经超过优化泵轮性能的需要。

使用Tech Cast的工艺,如果在第二个泵轮之后需要预定一个模具,就需要增加7-9周的时间和4万美元的成本,这意味着将泵轮投入生产所需的时间和成本基本上同传统铸造工艺一样。
但如果还需要进行设计变更,制造第三个泵轮,对比如下图。
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如果确认了第三个泵轮设计,并确定投入生产,Tech Cast工艺将比传统铸造工艺提早一周时间完成,并节省约2500美元。
Tech Cast工艺的其中一优势是泵轮的设计变更可以在同一时间内进行。如果制造商已经选择立即尝试这三种设计,并选择最好的设计投产,那么结果如下图:

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如果制造商选择最佳性能的设计进入投产,并订购相关的模具,那么他们将比传统铸造工艺提早6周进入生产,还能节省下2500美元。

Tech Cast工艺的另一优势就是模具还在制造的时候,铸件可以继续通过QuickCast原型制造。这可以让制造商建立实地实验,并在模具完成前制作初始生产泵,这样产品上市就能更快。

Tech Cast公司的工艺也能用于需要陶瓷型芯的叶轮。Tech Cast公司可通过增材制造工艺得到陶瓷型芯,这样一来,在制作模具前就能对泵轮进行优化了。
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