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

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），直徑長達(dá)30英寸（76.2厘米）。

設(shè)計一個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泵的性能進(jìn)行粗略評估，實際性能還得通過實驗來確定。因此，實現(xiàn)泵輪的最佳性能是一個迭代的過程：模型設(shè)計、泵輪制造、性能測試、設(shè)計調(diào)整，直到達(dá)成最優(yōu)設(shè)計，否則需要一直循環(huán)此過程。

然而在現(xiàn)實操作中，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，特別是對于Tech Cast這種制造大型泵輪的制造商來說。含內(nèi)流道的產(chǎn)品因為通常需要型芯，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完成。這個過程不僅僅是簡單地需要重復(fù)修改設(shè)計或者重建模具進(jìn)行設(shè)計變更評估。因此，泵輪制造商在泵輪達(dá)到合格性能時就停止迭代了。他們無法承受因為要達(dá)到最優(yōu)設(shè)計，而需再次迭代所產(chǎn)生的成本和時間。

△QuickCast原型只占傳統(tǒng)模具制作成本的一小部分

Tech Cast公司開創(chuàng)了一個新流程，可極大減少每次迭代耗費的成本和時間。這樣一來，泵輪制造商只花費比之前制作一個鑄件更少的時間，就能制作出更多設(shè)計版本的泵輪。Tech Cast公司使用3D Systems的QuickCast服務(wù)制作原型，就無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3D打印工藝來創(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，無需耗費時間來制作蠟?zāi)Ｋ�需模具就能得到鑄件，如此一來，數(shù)天內(nèi)就可以評估新設(shè)計，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，但是因為有蜂窩狀的結(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，另外可以說是幾乎無灰燃燒，也能夠快速地完成鑄造工序，而無需其他額外步驟。

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

鑄造過程的每一步耗費的成本和時間都被記錄，因此可以做出精確的比較。

第一個步驟是創(chuàng)建鑄件的CAD模型。客戶確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3DSystems的QuickCast工藝都需要更改CAD模型，CAD建模通常需要花費1周時間。

△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。針對這個泵輪，制作模具將耗費4萬美元，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Tech Cast公司的傳統(tǒng)熔模鑄造工藝制作而成。過程中大多數(shù)的勞動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)鑄造工藝會有細(xì)微的差別，因為QuickCast 的原型在鑄造前是需高溫氣化掉的，所以需要設(shè)計排氣口，而不是像傳統(tǒng)失蠟鑄造那樣融化原型。因為無需勞力用于加工原型，實際上QuickCast制作的原型在鑄造過程中幾乎沒有什么勞動含量，但它需要額外的數(shù)小時用于制程變更。

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時間，也僅需傳統(tǒng)制造1/10的成本。另外，通過QuickCast原型制作的鑄件僅需81美元的少量勞動（假定1小時60美元的勞動負(fù)擔(dān)率），遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鑄件所需的勞動成本。

△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鑄件的時間內(nèi)至少可以進(jìn)行2次鑄造及修正。

假設(shè)當(dāng)?shù)谝粋�鑄件被測試了，性能并不合格。制造商將進(jìn)行工程變更來改善性能并制作第二個泵輪來進(jìn)行測試。鑄造廠將制作經(jīng)過修改的鑄件模型。因為當(dāng)只有一個地方需要被改變時，不需要整個星期的時候來創(chuàng)建初始模型。我們設(shè)定數(shù)天的時間可以將設(shè)計變更實現(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)計的變更也必須進(jìn)行改變。進(jìn)行變更所需的成本和時間也決定于這是一次怎樣的變更，平均來說即使一個細(xì)微的變更也需要15%的模具制作成本和2周的時間。修改過的模具將被用于制作一個新的原型。

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)了完成第二個泵輪的2種方式。

使用傳統(tǒng)鑄造工藝，如果經(jīng)過設(shè)計變更，泵輪性能可以被接受，那么制造商就有可能進(jìn)入生產(chǎn)。此時這個項目已經(jīng)落后于進(jìn)度，進(jìn)入市場的急切已經(jīng)超過優(yōu)化泵輪性能的需要。

使用Tech Cast的工藝，如果在第二個泵輪之后需要預(yù)定一個模具，就需要增加7-9周的時間和4萬美元的成本，這意味著將泵輪投入生產(chǎn)所需的時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)計變更，制造第三個泵輪，對比如下圖。

如果確認(rèn)了第三個泵輪設(shè)計，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間完成，并節(jié)省約2500美元。

Tech Cast工藝的其中一優(yōu)勢是泵輪的設(shè)計變更可以在同一時間內(nèi)進(jìn)行。如果制造商已經(jīng)選擇立即嘗試這三種設(shè)計，并選擇最好的設(shè)計投產(chǎn)，那么結(jié)果如下圖：

如果制造商選擇最佳性能的設(shè)計進(jìn)入投產(chǎn)，并訂購相關(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)勢就是模具還在制造的時候，鑄件可以繼續(xù)通過QuickCast原型制造。這可以讓制造商建立實地實驗，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公司可通過增材制造工藝得到陶瓷型芯，這樣一來，在制作模具前就能對泵輪進(jìn)行優(yōu)化了。

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