Vergleich von Kosten und Qualität eines komplexen Pumpenlaufrads aus Guss mit 3D-gedruckten SLA-QuickCast-Gussmodellen

Tech Cast LLC ist ein führender Anbieter hochwertiger Feingussformen. Eine der Spezialitäten des Unternehmens sind große, komplexe Gussteile für Pumpenlaufräder mit einem Gewicht von bis zu 200 kg und einem Durchmesser von bis zu 76 cm.

Die Entwicklung eines leistungsfähigen Pumpenlaufrads ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die zu fördernden Fluide bestehen häufig aus mehreren Komponenten, während gleichzeitig hohe Strömungsgeschwindigkeiten und Fördervolumina auftreten. Die derzeitigen Analysetools ermöglichen eine grobe Schätzung der Pumpenleistung, die tatsächliche Leistung kann jedoch nur experimentell ermittelt werden. Um eine optimale Leistung zu erzielen, ist daher ein iterativer Entwicklungsprozess erforderlich: Ein Entwurf wird erstellt, das Laufrad gefertigt und getestet, anschließend wird das Design angepasst und der Prozess wiederholt, bis die optimale Lösung gefunden ist.

In der Praxis erwies sich eine solche Leistungsoptimierung jedoch als unerschwinglich teuer. Die Werkzeugkosten können, insbesondere bei großen Pumpenlaufrädern wie denen von Tech Cast, sehr hoch sein. Gleichzeitig sind die Vorlaufzeiten oft lang. Für die Herstellung der internen Strömungskanäle werden häufig Kerne benötigt, entweder aus löslichem Material oder Keramik. Dadurch müssen in der Regel zwei Werkzeuge gefertigt werden. Es ist einfach nicht praktikabel, Werkzeuge mehrfach zu ändern oder neu zu konstruieren, um Designänderungen zu bewerten. Infolgedessen iterieren die Pumpenhersteller nur so lange, bis sie eine akzeptable Leistung erreichen. Sie können sich weder die Zeit noch die Kosten leisten, die für die zusätzlichen Iterationen erforderlich sind, um eine perfekt optimierte Leistung zu erzielen.

Tech Cast hat ein Verfahren entwickelt, das die Kosten und den Zeitaufwand pro Iteration drastisch reduziert. Dadurch können Pumpenhersteller mehrere Designvarianten in kürzerer Zeit durchlaufen, als früher für die Herstellung und Prüfung eines einzelnen Gussteils erforderlich war – und dabei gleichzeitig die Entwicklungskosten senken. Tech Cast setzt auf 3D-gedruckte SLA-QuickCast-Modelle, sodass für jede Iteration keine neuen Werkzeuge hergestellt oder bestehende Werkzeuge angepasst werden müssen. QuickCast-Modelle waren die ersten direkten Modelle (Modelle, die im 3D-Druck hergestellt werden). Sie sind in Nordamerika bei weitem die beliebtesten Modelle, die mit Direktdruck-Technologie hergestellt werden. Mit QuickCast-Modellen können Gussteile produziert werden, ohne das viel Zeit in die Herstellung von Werkzeugen für Wachsmodelle investiert werden muss. So kann das Design innerhalb von Tagen statt Monaten bewertet werden. Die Kosten für QuickCast-Modelle betragen in der Regel nur einen Bruchteil der Werkzeugkosten, und sie sind in weniger als einer Woche verfügbar. Fertig bearbeitete Laufräder sind nun innerhalb von drei Wochen lieferbar. Die harzbasierten Modelle von QuickCast sind hohl und haben eine einzigartige innere Wabenstruktur, sodass sie in sich zusammenfallen, während sie sich mit steigender Temperatur ausdehnen. Auch wird die im Modell verwendete Materialmenge minimiert, was zu einer fast aschefreien Verbrennung führt. Dadurch kann ein Guss schnell und ohne viele zusätzliche Schritte erstellt werden.

Tech Cast und 3D Systems führten gemeinsam eine Studie durch, um die Vorteile dieses Verfahrens quantitativ zu bewerten. Für die Studie wurde ein Laufrad mit doppelter Ansaugung und einem Durchmesser von etwa 15 Zoll gewählt (Bild rechts). Die Gussteile wurden sowohl mit geformten Wachsmodellen als auch mit SLA-QuickCast-Modellen von 3D Systems hergestellt.

Die Kosten und der Zeitplan wurden bei jedem Schritt des Gießprozesses aufgezeichnet, um einen genauen Vergleich zu ermöglichen.

Der erste Schritt ist die Erstellung eines CAD-Modells des Gussteils. In der Regel definiert der Kunde das bearbeitete Laufrad. Die Gießerei muss das Laufrad dann skalieren, um die Schrumpfung des Metalls im Guss zu kompensieren und das Aufmaß sowie Angüsse hinzuzufügen. Die CAD-Modellierung dauert in der Regel eine Woche und ist sowohl für das konventionelle Verfahren als auch für das Tech Cast-Verfahren erforderlich.

Beim konventionellen Verfahren wird die Datei dann an den Werkzeugbau geschickt, wo ein Werkzeug erstellt wird, in dem Wachsmodelle geformt werden. Für dieses Laufrad kostete das Werkzeug 40.000 USD und benötigte 7–9 Wochen für die Herstellung.

Beim Verfahren von Tech Cast wird das Modell an 3D Systems gesendet, wo ein QuickCast-Modell erstellt wird. In diesem Fall betragen die Kosten für das Modell 3.150 USD und die Herstellung dauert eine Woche.

Im konventionellen Verfahren können nach Rückerhalt des Werkzeugs in der Fertigung die Gussmodelle hergestellt und die Pumpenlaufräder anschließend im herkömmlichen Feingussverfahren von Tech Cast gegossen werden. Der größte Teil der Arbeit entfällt dabei auf das Formen des Modells und die Herstellung der Baugruppe.

Nach Erhalt des QuickCast-Modells wird das Gussteil mittels eines leicht veränderten herkömmlichen Feingussverfahrens hergestellt. Für den Gussprozess wird eine zusätzliche Belüftung verwendet, und das Modell muss aus der Hülle verbrannt werden, anstatt es durch Schmelzen zu entfernen. Da keine Form für das Modell angefertigt werden muss, erfordert der Gussprozess für ein QuickCast-Modell tatsächlich weniger Arbeit. Für die Prozessvariationen jedoch sind ein paar zusätzliche Stunden erforderlich.

In der folgenden Tabelle wird das Verfahren von Tech Cast mit dem herkömmlichen Herstellungsverfahren für dieses Laufrad verglichen.

Mit dem Verfahren von Tech Cast kann ein Pumpenlaufrad in etwa einem Drittel der Zeit und zu einem Zehntel der Kosten des konventionellen Verfahrens hergestellt werden. Darüber hinaus verursacht das aus dem QuickCast-Modell gefertigte Gussteil um 81 US-Dollar geringere Arbeitskosten als das konventionell hergestellte Gussteil (bei Zugrundelegung eines vollständig kalkulierten Stundensatzes von 60 US-Dollar).

Der Kunde kann mindestens zwei Iterationen in der Zeit durchlaufen, die im herkömmlichen Verfahren nur für das erste Gussteil erforderlich wären.

Nehmen wir an, dass die Leistung beim ersten geprüften Guss nicht akzeptabel ist. Der Hersteller wird eine technische Änderung vornehmen, um die Leistung zu verbessern, und ein zweites Laufrad zur Prüfung anfordern. Die Gießerei erstellt dann das Gussmodell des geänderten Entwurfs. Da nur eine Änderung vorgenommen wurde, ist nicht eine ganze Woche erforderlich wie für das erste Modell. Nehmen wir an, es dauert eine halbe Woche, um die Designänderung in das Gussmodell einzuarbeiten.

Beim konventionellen Verfahren muss das Werkzeug angepasst werden, um die Änderung zu übernehmen. Die Kosten und der Zeitaufwand für die Änderung hängen davon ab, wie umfangreich die Änderung ist. Ein vernünftiger Durchschnittswert wäre z. B. 15 % der Werkzeugkosten und zwei Wochen für eine relativ kleine Änderung. Dann wird das modifizierte Werkzeug zum Formen eines neuen Modells verwendet.

Im Verfahren von Tech Cast wird das aktualisierte Modell zur Erstellung eines neuen QuickCast-Modells verwendet, das dann gegossen wird.

In der nachstehenden Tabelle sind die beiden Methoden zum Zeitpunkt der Fertigstellung des zweiten Laufrads zusammengefasst.

Wenn die Leistung des Laufrads nach der Entwurfsüberarbeitung akzeptabel ist, kann der Hersteller mit der Produktion beginnen. Das Projekt liegt bereits hinter dem Zeitplan und der Druck, auf den Markt zu kommen, ist größer als die Notwendigkeit einer Leistungsverbesserung.

Wird nach dem zweiten Pumpenlaufrad ein Werkzeug beauftragt, erhöht sich beim Verfahren von Tech Cast die Entwicklungszeit um weitere 7 bis 9 Wochen und die Kosten um 40.000 US-Dollar. Damit sind die Gesamtzeit bis zur Produktionsreife und die Gesamtkosten nahezu identisch mit dem konventionellen Verfahren.

Wenn eine weitere Konstruktionsänderung erforderlich ist und ein drittes Laufrad gebaut wird, sieht der Vergleich wie folgt aus:

Fällt die Entscheidung für den Produktionsstart erst nach dem dritten Pumpenlaufrad, liegt das Verfahren von Tech Cast zeitlich um etwa eine Woche vor dem konventionellen Verfahren und ist zudem rund 2.500 US-Dollar kostengünstiger

Einer der Vorteile des Verfahrens von Tech Cast besteht darin, dass mehrere Designvarianten gleichzeitig bewertet werden können. Hätte sich der Hersteller stattdessen dafür entschieden, alle drei Entwürfe auf einmal auszuprobieren und den besten für die Produktion auszuwählen, sähe das Ergebnis wie folgt aus:

Würde der Hersteller den leistungsfähigsten Entwurf für die Produktion auswählen und das Werkzeug bestellen, könnte er 6 Wochen früher als mit dem herkömmlichen Verfahren produzieren und dabei 2.500 USD einsparen.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens von Tech Cast besteht darin, dass während der Werkzeugerstellung weiterhin Gussteile aus QuickCast-Modellen gebaut werden können. Dadurch kann der Hersteller, noch bevor das Werkzeug verfügbar ist, Testgeräte und erste Pumpen für die Produktion bauen und schneller am Markt sein.

Das Verfahren von Tech Cast funktioniert auch bei Laufrädern, die Keramikkerne erfordern. Tech Cast kann Keramikkerne in einem additiven Fertigungsprozess aufbauen, sodass das Design optimiert werden kann, bevor es an den Werkzeugbau geht.