3D列印鑄造技術與傳統精密鑄造技術比拼

傳統鑄造技術在大家認知中是一份較為辛苦,且比較簡單的是技術,以下為我們和某精密鑄造公司研究和討論的方案及對比。

該公司的專長之一是製作大型且複雜的泵輪鑄件,重量可達158。76千克,直徑長達76。2釐米。想必大家應該知道泵閥的結果及原理,並且相應的價格也有個大概的數字。

設計一個性能良好的泵輪是一大挑戰。被泵取的液體常常具有複合成份且流速和流量都很高。當前的分析工具只能對泵的效能進行粗略評估,實際效能還得透過一系列實驗來確認。因此,實現質量達標的泵輪是一個複雜的迭代過程:模型設計、泵輪製造、效能測試、設計調整,直到達成最優設計。然後一直迴圈此過程。

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圖1、複雜的泵輪

然而在現實操作中,以這種方式最佳化泵輪效能非常昂貴。模具成本很高,交貨期也很長。含內流道的產品因為通常需要型芯,該型芯材料是可溶性材料或陶瓷,所以需要製作兩套模具來完成。

在建模設計過程中,設計工程師需要重複修改、變更設計來進行評估,因此,泵輪製造商在泵輪達到合格效能時就停止迭代了。因為他們無法承受因為要達到最優設計,而需要再次迭代所產生的成本和時間(金錢和時間成本是比較大的)。

我們透過3D列印工藝建立原型,可作為直接鑄造用原型。在北美,這是常用的直接原型製作技術。有了3D列印原型,無需耗費時間來製作蠟模。如此一來,數天內就可以評估新設計,而不是數月。

3D列印原型只佔傳統模具製作成本的一小部分,並且一週內就能完成(甚至一天完成),所以在3周內完全加工泵輪是可行的。3D列印工藝製作的樹脂原型內部是中空的,會有加溫導致原型膨脹的風險。但是因為有蜂窩狀的結構,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殘餘的燃燒,也能夠快速地完成鑄造工序,而無需其他額外步驟。

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圖2、鑄件模型

下面是3D列印與傳統鑄造過程全記錄(為減少成本以一個直徑約38。1釐米的泵輪作為依據)。鑄件分別透過傳統制造的蠟模,和3D列印原型鑄造而成。

第一個步驟是建立鑄件的CAD模型。由於實際打印出來的泵輪是有收縮率的,所以需要放大泵輪的縮率,以抵消在鑄造中金屬的收縮。傳統鑄造工藝和3D列印工藝都需要更改CAD模型,CAD建模通常需要花費1周時間。

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圖3、泵輪原型

表1、3D列印和傳統鑄造的對比

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依表知使用3D列印工藝製作的泵輪大概僅需傳統鑄造工藝的1/3時間,也僅需傳統制造1/10的成本。另外,3D列印原型製作的鑄件僅需81元的少量勞動(假定1小時60元的勞動費),遠低於傳統鑄件所需的勞動成本。3D列印大大縮短週期,在原本只能完成一個鑄件的時間內至少可以進行2次鑄造及修正。

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圖4、組裝好的泵輪原型

假設第一個鑄件被測試了,效能並不合格。製造商將進行工程設計的變更,並製作第二個泵輪來進行測試。

在傳統鑄造工藝中,製作原型所需的模具隨著設計的變更也必須進行改變。進行變更所需的成本和時間也決定於這是一次怎樣的變更,平均來說即使一個細微的變更也需要15%的模具製作成本和2周的時間。而3D列印工藝中,3D列印模型將被用於製作新的原型,直接用於鑄造。

表2、完成第二個泵輪的資料對比

3D列印鑄造技術與傳統精密鑄造技術比拼

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圖5、泵輪鑄件

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圖6、模殼

3D列印工藝的另一優勢就是模具還在製造的時候,鑄件可以繼續透過3D列印的原型製造。這可以讓製造商進行實地實驗,並在模具完成前製作初代生產泵,這樣產品上市就能更快。

該公司的工藝也能用於需要陶瓷型芯的葉輪。該公司可透過3D列印工藝得到陶瓷型芯,這樣一來,在製作模具前就能對泵輪進行優化了。

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