Confronto dei costi e della qualità di una girante per pompa dalla geometria complessa, realizzata mediante fusione con modelli QuickCast stampati in 3D con tecnologia SLA

Tech Cast LLC è un fornitore di fusioni a cera persa di alta qualità leader del settore. Tech Cast è specializzata nella fusione di giranti per pompe di grandi dimensioni e dalla geometria complessa, che possono raggiungere circa 160 kg di peso e 76 cm di diametro.

Progettare una girante per pompa dalle alte prestazioni rappresenta una vera sfida. I fluidi pompati sono spesso multicomponente e le velocità di flussi e volumi sono elevate. Gli strumenti analitici attualmente disponibili forniscono una stima approssimativa delle prestazioni della pompa, mentre le prestazioni reali possono essere determinate solo con il metodo sperimentale. Di conseguenza, il raggiungimento di prestazioni ottimali richiede un processo iterativo: si elabora un progetto, si realizza la girante, se ne testano le prestazioni, si apportano modifiche al progetto e si ripete il processo fino a ottenere una soluzione ottimale.

Nella pratica, tuttavia, l’ottimizzazione delle prestazioni secondo questo metodo si è rivelata estremamente onerosa. I costi legati alla produzione di stampi, soprattutto per le giranti di grandi dimensioni come quelle fabbricate da Tech Cast, possono essere molto alti e i tempi di consegna molto lunghi. Gli stampi richiedono spesso un’anima, solubile o in ceramica, per creare i percorsi dei flussi interni; ne consegue la necessità di costruire due stampi distinti. Tuttavia, modificare o ricostruire ripetutamente gli stampi per valutare le modifiche del progetto non è una soluzione pratica. Per questo motivo, i produttori di pompe eseguono le iterazioni solo fino a quando non ottengono prestazioni accettabili. Non possono permettersi né il tempo né i costi derivanti dalle ulteriori iterazioni che sarebbero necessarie per conseguire prestazioni ottimali.

Tech Cast ha introdotto un processo che riduce drasticamente sia il costo che il tempo necessari per ogni iterazione. Questo consente ai produttori di pompe di gestire diverse versioni in meno tempo di quanto in passato non richiedesse una singola fusione, con il conseguente risparmio di denaro. Tech Cast utilizza i modelli QuickCast stampati in 3D con tecnologia SLA per eliminare la necessità di creare o modificare gli stampi a ogni iterazione. I modelli QuickCast sono stati i primi modelli realizzati direttamente mediante stampa 3D e rappresentano tuttora la tecnologia più diffusa in Nord America per la produzione diretta di modelli di fusione. Grazie ai modelli QuickCast, è possibile realizzare getti senza dover affrontare il lungo processo di creazione degli stampi necessari alla produzione dei modelli in cera, consentendo così di valutare il progetto in pochi giorni anziché in mesi. I modelli QuickCast possono essere realizzati a una frazione del costo degli stampi e risultano disponibili in meno di una settimana, pertanto le giranti completamente lavorate sono disponibili nell’arco di tre settimane. I modelli QuickCast in resina sono cavi e presentano una particolare struttura interna a nido d’ape che consente loro di collassare verso l’interno quando si espandono per effetto dell’aumento della temperatura. Inoltre il materiale utilizzato per il modello è ridotto al minimo; ne consegue un burnout quasi privo di cenere che consente di creare modelli di fusione in breve tempo e senza troppi passaggi aggiuntivi.

Tech Cast e 3D Systems hanno collaborato a uno studio volto a quantificare i vantaggi del loro processo. Per lo studio è stata scelta una girante a doppia aspirazione del diametro di circa 38 cm (immagine a destra). Le fusioni sono state realizzate sia con modelli in cera ottenuti mediante stampaggio che con modelli QuickCast stampati in 3D con tecnologia SLA, forniti da 3D Systems.

I costi e i tempi sono stati registrati in ogni fase del processo di fusione in modo da poter eseguire un confronto accurato.

La prima fase consiste nel creare un modello CAD della parte da fondere. Solitamente il cliente definisce la girante lavorata. Quindi la fonderia deve aumentare le dimensioni della girante per compensare il ritiro del metallo durante la fusione, aggiungere materiale e aggiungere punti di iniezione. In generale la creazione del modello CAD richiede una settimana ed è necessaria sia per il processo convenzionale che per il processo Tech Cast.

Nel processo convenzionale, il file viene inviato all’officina, dove viene creato uno stampo per realizzare i modelli in cera. Per questa girante, il costo dello stampo è stato di 40.000 dollari e la sua realizzazione ha richiesto da 7 a 9 settimane.

Nel processo Tech Cast, il modello viene inviato a 3D Systems, dove viene realizzato un modello QuickCast. In questo caso, il modello costa 3150 dollari e richiede una settimana per essere realizzato.

Durante il processo convenzionale, quando l’officina rientra in possesso dello stampo, è possibile stampare i modelli e fondere le giranti mediante il processo di fusione a cera persa tradizionale di Tech Cast. Il grosso del lavoro consiste nella creazione del modello e dell’assemblaggio.

Una volta ricevuto il modello QuickCast, viene utilizzata una piccola variazione del processo di fusione a cera persa tradizionale per eseguire la fusione. Il processo di fusione prevede l’uso di ventilazione aggiuntiva e il modello deve essere bruciato nel guscio anziché sciolto. Dato che la creazione del modello non richiede manodopera, il processo di fusione di un modello QuickCast è meno dispendioso in termini di lavoro, tuttavia richiede alcune ore supplementari per le variazioni del processo.

La tabella seguente fornisce un confronto tra il processo Tech Cast e il processo convenzionale per questa girante.

Il processo Tech Cast consente di realizzare una girante in circa un terzo del tempo necessario per il processo convenzionale e a un decimo del costo. Inoltre, la fusione realizzata con il modello QuickCast comporta un costo della manodopera inferiore di 81 dollari rispetto alla fusione tradizionale, ipotizzando un costo orario complessivo della manodopera di 60 dollari.

Il cliente può eseguire almeno due iterazioni nel tempo che sarebbe necessario per completare la prima fusione con il processo convenzionale.

Supponiamo che quando la prima fusione viene testata, le prestazioni non siano accettabili. Il produttore apporta una modifica progettuale per migliorare le prestazioni e richiede una seconda girante per eseguire i test. La fonderia crea quindi un modello di fusione in base al progetto modificato. Dato che è stata apportata una sola modifica, la creazione del modello non richiede un’intera settimana, come nel primo caso. Si suppone che sia necessaria mezza settimana per incorporare la modifica progettuale nel modello di fusione.

Nel processo convenzionale, lo stampo deve essere modificato per incorporare la modifica. I costi e i tempi necessari per apportare la modifica dipendono dalla sua entità, ma per una modifica relativamente lieve si può stimare un costo medio pari al 15% di quello dello stampo e un tempo di realizzazione di due settimane. Lo stampo modificato viene quindi utilizzato per creare un nuovo modello.

Nel processo Tech Cast, il modello aggiornato viene utilizzato per creare un nuovo modello QuickCast destinato alla fusione.

Nella tabella seguente vengono riassunti i due metodi al completamento della seconda girante.

Con il processo convenzionale, se le prestazioni della girante sono accettabili dopo la revisione del progetto, generalmente il produttore avvia la produzione. Il progetto ha già subito un ritardo e la pressione per entrare nel mercato prevale sulla necessità di migliorare le prestazioni.

Con il processo Tech Cast, se lo stampo viene ordinato dopo la realizzazione della seconda girante, sono necessarie altre 7-9 settimane, con un costo aggiuntivo di 40.000 dollari. Ne consegue che i tempi e i costi per avviare la produzione sono praticamente identici a quelli del processo tradizionale.

Qualora sia necessario apportare un’ulteriore modifica al progetto e costruire una terza girante, si ottengono i risultati indicati di seguito.

Se la decisione di avviare la produzione fosse presa dopo la realizzazione della terza girante, il processo Tech Cast consentirebbe di risparmiare una settimana e circa 2500 dollari rispetto al processo tradizionale.

Uno dei vantaggi offerti dal processo Tech Cast è la possibilità di valutare più variazioni del progetto contemporaneamente. Al contrario, se il produttore decidesse di provare tutti e tre i progetti contemporaneamente e di scegliere il migliore dei tre per avviare la produzione, si otterrebbero i seguenti risultati:

Se il produttore scegliesse il progetto con le prestazioni migliori e ordinasse lo stampo per avviare la produzione, potrebbe iniziare sei settimane prima rispetto al processo tradizionale, risparmiando 2500 dollari.

Un ulteriore vantaggio del processo Tech Cast è dato dal fatto che, mentre è in corso la costruzione dello stampo, è possibile eseguire le fusioni con i modelli QuickCast. Questo consente al produttore di costruire unità di prova sul campo e pompe di produzione iniziale prima che lo stampo sia disponibile, ed entrare nel mercato in tempi ancora più rapidi.

Il processo Tech Cast interessa anche le giranti che richiedono un’anima in ceramica. Tech Cast consente di costruire anime in ceramica mediante un processo di produzione additiva, in modo da ottimizzare il progetto prima di creare gli stampi.