泵輪制作時(shí)間和成本大比拼：傳統(tǒng)鑄造工藝與3D Systems QuickCast工藝

什么是QuickCast工藝?
QuickCast快速鑄造工藝是利用SLA打印技術(shù)完成原型制作，為熔模鑄造提供六邊形鏤空結(jié)構(gòu)原型。Tech Cast LLC是高品質(zhì)精密鑄造的領(lǐng)先供應(yīng)商。公司的專長(zhǎng)之一是制作大型且復(fù)雜的泵輪鑄件，重量可達(dá)50磅(158.76千克)，直徑長(zhǎng)達(dá)30英寸(76.2厘米)。

設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的泵輪是一大挑戰(zhàn)。被泵取的液體常常具有復(fù)合成份且流速和流量都很高。當(dāng)前的分析工具只能對(duì)泵的性能進(jìn)行粗略評(píng)估，實(shí)際性能還得通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。因此，實(shí)現(xiàn)泵輪的最佳性能是一個(gè)迭代的過(guò)程：模型設(shè)計(jì)、泵輪制造、性能測(cè)試、設(shè)計(jì)調(diào)整，直到達(dá)成最優(yōu)設(shè)計(jì)， 否則需要一直循環(huán)此過(guò)程。

然而在現(xiàn)實(shí)操作中，以這種方式優(yōu)化泵輪性能非常昂貴。模具成本很高，交貨期也很長(zhǎng)，特別是對(duì)于Tech Cast這種制造大型泵輪的制造商來(lái)說(shuō)。含內(nèi)流道的產(chǎn)品因?yàn)橥ǔＰ枰�型芯，該型芯要么是可溶性物質(zhì)要么是陶瓷等，所以需要制作兩套模具來(lái)完成。這個(gè)過(guò)程不僅僅是簡(jiǎn)單地需要重復(fù)修改設(shè)計(jì)或者重建模具進(jìn)行設(shè)計(jì)變更評(píng)估。因此，泵輪制造商在泵輪達(dá)到合格性能時(shí)就停止迭代了。他們無(wú)法承受因?yàn)橐�達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，而需再次迭代所產(chǎn)生的成本和時(shí)間。

QuickCast原型只占傳統(tǒng)模具制作成本的一小部分

Tech Cast公司通過(guò)3D Systems的QuickCast開創(chuàng)了一個(gè)新流程，可極大減少每次迭代耗費(fèi)的成本和時(shí)間。這樣一來(lái)，泵輪制造商只花費(fèi)比之前制作一個(gè)鑄件更少的時(shí)間，就能制作出更多設(shè)計(jì)版本的泵輪。Tech Cast公司使用3D Systems的QuickCast服務(wù)制作原型，就無(wú)需再制作每次迭代所需的模具。QuickCast制作的原型可作為直接鑄造用原型(通過(guò)3D打印工藝來(lái)創(chuàng)建原型)，現(xiàn)在在北美是常用的直接原型制作技術(shù)。有了QuickCast原型，無(wú)需耗費(fèi)時(shí)間來(lái)制作蠟?zāi)Ｋ�需模具就能得到鑄件，如此一來(lái)，數(shù)天內(nèi)就可以評(píng)估新設(shè)計(jì)，而不是數(shù)月。

QuickCast原型只占傳統(tǒng)模具制作成本的一小部分，并且一周內(nèi)就能完成，所以在3周內(nèi)完全加工泵輪是可行的。QuickCast工藝制作的樹脂原型內(nèi)部是中空的，加溫可能導(dǎo)致原型膨脹，但是因?yàn)橛蟹涓C狀的結(jié)構(gòu)，避免了把模殼撐壞。這樣最大程度地減少了原型所用的材料，另外可以說(shuō)是幾乎無(wú)灰燃燒，也能夠快速地完成鑄造工序，而無(wú)需其他額外步驟。

最近，Tech Cast和3D Systems一起為QuickCast工藝量化其優(yōu)勢(shì)。一個(gè)直徑約15英寸(38.1厘米)雙吸式泵輪被用于研究。鑄件分別通過(guò)蠟?zāi)�，�?D Systems的QuickCast原型鑄造而成。

鑄造過(guò)程的每一步耗費(fèi)的成本和時(shí)間都被記錄，因此可以做出精確的比較。

第一個(gè)步驟是創(chuàng)建鑄件的CAD模型�？蛻舸_定了需被制作的泵輪。鑄造廠必須放大泵輪的縮率，以抵消在鑄造中金屬的收縮，增加后期加工定位特征和澆鑄口。傳統(tǒng)鑄造工藝和3D Systems的QuickCast工藝都需要更改CAD模型，CAD建模通常需要花費(fèi)1周時(shí)間。

泵輪原型

在傳統(tǒng)鑄造工藝中，數(shù)模是直接發(fā)送給制作蠟型的模具廠。針對(duì)這個(gè)泵輪，制作模具將耗費(fèi)4萬(wàn)美元，工期需要7到9周。

而Tech Cast公司采用的QuickCast工藝是這樣的。CAD模型被發(fā)送到3D Systems公司，通過(guò)QuickCast工藝制作了原型。制作原型的成本僅為3150美元，只需要1周時(shí)間。

在傳統(tǒng)鑄造工藝中，工廠只能在收到所需模具后，才能加工原型，泵輪鑄件再通過(guò)Tech Cast公司的傳統(tǒng)熔模鑄造工藝制作而成。過(guò)程中大多數(shù)的勞動(dòng)量都是加工原型和創(chuàng)建組裝件。

而收到QuickCast 制作的原型，與傳統(tǒng)鑄造工藝會(huì)有細(xì)微的差別，因?yàn)镼uickCast 的原型在鑄造前是需高溫氣化掉的，所以需要設(shè)計(jì)排氣口，而不是像傳統(tǒng)失蠟鑄造那樣融化原型。因?yàn)闊o(wú)需勞力用于加工原型，實(shí)際上QuickCast制作的原型在鑄造過(guò)程中幾乎沒(méi)有什么勞動(dòng)含量，但它需要額外的數(shù)小時(shí)用于制程變更。

下圖是Tech Cast的工藝和傳統(tǒng)鑄造工藝關(guān)于泵輪的對(duì)比。

使用Tech Cast采用的QuickCast工藝制作的泵輪大概僅需傳統(tǒng)鑄造工藝的1/3時(shí)間，也僅需傳統(tǒng)制造1/10的成本。另外，通過(guò)QuickCast原型制作的鑄件僅需81美元的少量勞動(dòng)(假定1小時(shí)60美元的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)率)，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鑄件所需的勞動(dòng)成本。

組裝好的泵輪原型

相較于傳統(tǒng)工藝，新方法大大縮短周期，在原本只能完成一個(gè)鑄件的時(shí)間內(nèi)至少可以進(jìn)行2次鑄造及修正。

假設(shè)當(dāng)?shù)谝粋�(gè)鑄件被測(cè)試了，性能并不合格。制造商將進(jìn)行工程變更來(lái)改善性能并制作第二個(gè)泵輪來(lái)進(jìn)行測(cè)試。鑄造廠將制作經(jīng)過(guò)修改的鑄件模型。因?yàn)楫?dāng)只有一個(gè)地方需要被改變時(shí)，不需要整個(gè)星期的時(shí)候來(lái)創(chuàng)建初始模型。我們?cè)O(shè)定數(shù)天的時(shí)間可以將設(shè)計(jì)變更實(shí)現(xiàn)在鑄造模型上。

在傳統(tǒng)鑄造工藝中，制作原型所需的模具隨著設(shè)計(jì)的變更也必須進(jìn)行改變。進(jìn)行變更所需的成本和時(shí)間也決定于這是一次怎樣的變更，平均來(lái)說(shuō)即使一個(gè)細(xì)微的變更也需要15%的模具制作成本和2周的時(shí)間。修改過(guò)的模具將被用于制作一個(gè)新的原型。

在Tech Cast公司的工藝中，最新的模型將被用于制作新的QuickCast原型，直接用于鑄造。

下圖總結(jié)了完成第二個(gè)泵輪的2種方式。

泵輪鑄件

模殼

使用傳統(tǒng)鑄造工藝，如果經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)變更，泵輪性能可以被接受，那么制造商就有可能進(jìn)入生產(chǎn)。此時(shí)這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)落后于進(jìn)度，進(jìn)入市場(chǎng)的急切已經(jīng)超過(guò)優(yōu)化泵輪性能的需要。

使用Tech Cast的工藝，如果在第二個(gè)泵輪之后需要預(yù)定一個(gè)模具，就需要增加7-9周的時(shí)間和4萬(wàn)美元的成本，這意味著將泵輪投入生產(chǎn)所需的時(shí)間和成本基本上同傳統(tǒng)鑄造工藝一樣。

但如果還需要進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，制造第三個(gè)泵輪，對(duì)比如下圖。

如果確認(rèn)了第三個(gè)泵輪設(shè)計(jì)，并確定投入生產(chǎn)，Tech Cast工藝將比傳統(tǒng)鑄造工藝提早一周時(shí)間完成，并節(jié)省約2500美元。

Tech Cast工藝的其中一優(yōu)勢(shì)是泵輪的設(shè)計(jì)變更可以在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。如果制造商已經(jīng)選擇立即嘗試第三種設(shè)計(jì)，并選擇最好的設(shè)計(jì)投產(chǎn)，那么結(jié)果如下圖：

如果制造商選擇最佳性能的設(shè)計(jì)進(jìn)入投產(chǎn)，并訂購(gòu)相關(guān)的模具，那么他們將比傳統(tǒng)鑄造工藝提早6周進(jìn)入生產(chǎn)，還能節(jié)省下2500美元。

Tech Cast工藝的另一優(yōu)勢(shì)就是模具還在制造的時(shí)候，鑄件可以繼續(xù)通過(guò)QuickCast原型制造。這可以讓制造商建立實(shí)地實(shí)驗(yàn)，并在模具完成前制作初始生產(chǎn)泵，這樣產(chǎn)品上市就能更快。

Tech Cast公司的工藝也能用于需要陶瓷型芯的葉輪。Tech Cast公司可通過(guò)增材制造工藝得到陶瓷型芯，這樣一來(lái)，在制作模具前就能對(duì)泵輪進(jìn)行優(yōu)化了。

來(lái)源： 3DSYSTEMS