ポンプインペラ製造にかかる時間とコストの比較: 従来の鋳造と 3D Systems QuickCast

この投稿は Little Raccoon によって 2017-1-6 22:32 に最後に編集されました。

Tech Cast LLC は、高品質の精密鋳造品を提供する大手企業です。同社の専門分野の 1 つは、重量が最大 50 ポンド (158.76 kg)、直径が最大 30 インチ (76.2 cm) にもなる大型で複雑なポンプインペラの鋳造品の製造です。
優れた性能を発揮するポンプインペラを設計することは困難です。ポンプで送られる流体は、多くの場合、組成が複雑で、速度と体積が大きいです。現在の分析ツールではポンプの性能を大まかに推定することしかできず、実際の性能は実験的に決定する必要があります。したがって、インペラの最高のパフォーマンスを実現するには、モデル設計、インペラの製造、パフォーマンステスト、設計調整という反復的なプロセスが必要であり、最適な設計に到達するまでこのプロセスを繰り返す必要があります。

しかし、実際には、このようにインペラの性能を最適化するのは非常にコストがかかります。特に、Tech Cast のような大型ポンプインペラを製造するメーカーの場合、ツールのコストが高く、リードタイムも長くなります。内部に流路を持つ製品には通常、溶解性材料またはセラミックのコアが必要なので、完成させるには 2 セットの金型を作成する必要があります。このプロセスでは、設計の変更を評価するために、単に設計を修正したり金型を再構築したりする以上の作業が必要です。したがって、ポンプインペラの製造業者は、ポンプインペラが許容できる性能に達すると、反復作業を停止します。最適な設計に到達するために再度反復するコストと時間を費やす余裕はありません。
△QuickCastプロトタイプのコストは、従来の金型製作コストのほんの一部です
Tech Cast は、各反復のコストと時間を大幅に削減する新しいプロセスを開発しました。これにより、ポンプインペラメーカーは、これまで単一の鋳造に要していた時間よりも短い時間で、より多くのインペラ設計を製造できるようになります。 Tech Cast は 3D Systems の QuickCast サービスを使用してプロトタイプを作成し、反復ごとに金型を作成する必要がなくなりました。 QuickCast で作成されたプロトタイプは、現在北米で一般的なダイレクトプロトタイピング手法であるダイレクトキャスティング (3D プリントプロセスによるプロトタイプの作成) のプロトタイプとして使用できます。 QuickCast Prototype を使用すると、ワックスモデルに必要な鋳型を作成するという時間のかかるプロセスなしで鋳造品が生成され、数か月ではなく数日で新しいデザインを評価できるようになります。
QuickCast のプロトタイプは、従来の金型製作のコストのほんの一部で済み、1 週間で完成できるため、3 週間でポンプのインペラを完全に機械加工することが可能です。 QuickCast プロセスで作成された樹脂プロトタイプは内部が空洞になっています。加熱によりプロトタイプが膨張する可能性がありますが、ハニカム構造により金型シェルが損傷することはありません。これにより、プロトタイプに使用する材料が最小限に抑えられ、実質的に灰のない燃焼が実現し、追加の手順を必要とせずに鋳造プロセスを迅速に完了できるようになります。
Tech Cast と 3D Systems は最近、QuickCast プロセスの利点を定量化するために協力しました。この研究では、直径約 15 インチ (38.1 cm) の二重吸引ポンプのインペラを使用しました。鋳造品はワックスパターンと 3D Systems の QuickCast プロトタイプから作られました。
鋳造プロセスの各ステップのコストと時間が記録されるため、正確な比較が可能になります。
最初のステップは、鋳造品の CAD モデルを作成することです。製造するポンプインペラは顧客が決定します。鋳造工場では、鋳造中の金属の収縮を相殺するためにポンプインペラの減速比を上げ、後処理の位置決め機能と注入ゲートを追加する必要がありました。従来の鋳造プロセスと 3D Systems の QuickCast プロセスはどちらも CAD モデルの変更が必要であり、CAD モデリングには通常 1 週間かかります。
△従来の鋳造工程では、ポンプインペラ試作品のデジタルモデルがワックスモデルを作る金型工場に直接送られます。インペラの金型を作るには4万ドルの費用がかかり、7～9週間かかります。 Tech Cast が使用する QuickCast プロセスは次のようになります。 CAD モデルは 3D Systems に送信され、QuickCast プロセスを使用してプロトタイプが作成されました。プロトタイプのコストはわずか 3,150 ドルで、製造には 1 週間しかかかりませんでした。
従来の鋳造プロセスでは、工場は必要な金型を受け取った後にのみ試作品を処理できます。その後、ポンプインペラの鋳造品は、Tech Cast の従来の精密鋳造プロセスによって生産されます。このプロセスにおける労力のほとんどは、プロトタイプの機械加工とアセンブリの作成です。
QuickCast で作られたプロトタイプは、従来の鋳造プロセスとは少し異なります。QuickCast プロトタイプは鋳造前に高温で気化させる必要があるため、従来のロストワックス鋳造のようにプロトタイプを溶かすのではなく、排気ポートを設計する必要があります。プロトタイプの機械加工には労力が不要なため、QuickCast プロトタイプでは鋳造プロセスで実際に必要な労力はほとんどありませんが、プロセスの変更には数時間の追加時間が必要になります。
下の写真は、ポンプインペラの Tech Cast のプロセスと従来の鋳造プロセスの比較です。

Tech Cast の QuickCast プロセスを使用して製造されたインペラは、従来の鋳造に比べて約 1/3 の時間と 1/10 のコストしかかかりません。さらに、QuickCast プロトタイピングで作成された鋳造品には、81 ドルという最小限の労働力 (労働負担率を 1 時間あたり 60 ドルと想定) しか必要ありません。これは、従来の鋳造品に必要な労働コストよりもはるかに低いものです。
△従来のプロセスと比較して、新しい方法は、組み立てられたインペラプロトタイプのサイクル時間を大幅に短縮します。本来1回の鋳造を完了できる時間内に、少なくとも2回の鋳造と修正を実行できます。

最初の鋳造品をテストしたときに、特性が標準以下だったとします。製造業者は、性能を向上させるためにエンジニアリングの変更を行い、テスト用に 2 つ目のインペラを製造します。鋳造所は修正された鋳造パターンを作成します。変更する必要があるのが 1 つだけであれば、最初のモデルを作成するのに 1 週間もかからないからです。鋳造モデルに設計変更を実装するために数日間の期間を設定しました。
従来の鋳造プロセスでは、設計の変更に応じて試作品を作るために必要な金型も変更する必要があります。変更にかかるコストと時間は、変更の種類によっても異なります。平均的には、軽微な変更でも金型製作コストの 15% と 2 週間の時間がかかります。修正された金型は新しい試作品を作るために使用されます。
Tech Cast のプロセスでは、最新のモデルを使用して、直接鋳造用の新しい QuickCast プロトタイプを作成します。
次の図は、2 番目のポンプのインペラを完成させる 2 つの方法をまとめたものです。

従来の鋳造プロセスを使用すると、設計変更後にインペラの性能が許容範囲内であれば、製造業者は生産を開始できる可能性があります。この時点でプロジェクトは予定より遅れており、市場投入の緊急性がインペラの性能を最適化する必要性を上回っていました。

Tech Cast のプロセスを使用すると、2 番目のインペラの後に金型を注文すると、さらに 7 ～ 9 週間かかり、コストが 40,000 ドルかかります。つまり、インペラを生産するために必要な時間とコストは、従来の鋳造と基本的に同じです。
しかし、それでも設計変更が必要な場合は、次の図に示すように、3 番目のインペラが製造されます。

3 番目のインペラ設計が確定し、生産が開始されると、Tech Cast プロセスは従来の鋳造プロセスよりも 1 週間早く完了し、約 2,500 ドルの節約になります。
Tech Cast プロセスの利点の 1 つは、インペラの設計変更を同時に実行できることです。製造業者が 3 つの設計すべてをすぐに試し、生産に最適なものを選択した場合、結果は次のようになります。

メーカーが生産に最も適した設計を選択し、関連する金型を注文すると、従来の鋳造プロセスよりも 6 週間早く生産を開始でき、2,500 ドルを節約できます。
Tech Cast プロセスのもう 1 つの利点は、金型の作成中でも QuickCast プロトタイプ作成を通じて鋳造品の製造を継続できることです。これにより、メーカーは金型が完成する前に現場試験を実施し、初期生産ポンプを製造できるため、製品をより早く市場に投入できるようになります。
Tech Cast のプロセスは、セラミックコアを必要とするインペラにも使用できます。 Tech Cast は積層造形によってセラミックコアを入手することができ、金型を作る前にインペラを最適化することができます。
3D Systemsについて
3D Systems は、3D プリンター、印刷材料、クラウドベースのオンデマンドカスタムパーツ、デジタル設計ツールなど、包括的な 3D 製品とサービスを提供しています。同社のエコシステムは、製品設計から工場現場まで、高度なアプリケーションをカバーしています。 3D Systems の精密医療ソリューションには、シミュレーション、仮想手術計画、医療機器や歯科機器、カスタムメイドの手術器具の印刷が含まれます。 3D プリンティングの創始者であり、将来の 3D ソリューションの開発者である 3D Systems は、30 年にわたり、専門家や企業が設計を最適化し、ワークフローを変革し、革新的な製品を市場に投入し、新しいビジネスモデルを推進できるよう支援してきました。

詳細については、www.3dsystems-china.comをご覧ください。
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