3D 프린트된 SLA QuickCast 패턴 방식으로 복잡한 펌프 임펠러 주조물 제작 시의 비용 및 품질 비교

Tech Cast LLC는 고급 매몰 주조를 제공하는 전문업체입니다. 그 전문 분야 중 하나는 무게가 최대 350 파운드이고 직경이 최대 30 인치인 복잡한 대형 펌프 임펠러 주조입니다.

성능이 좋은 펌프 임펠러를 설계하는 것은 쉽지 않은 일입니다. 펌핑되는 유체는 성분이 다양한 경우가 많으며 유속이 빠르고 유량이 많습니다. 최신 분석 도구를 통해 펌프 성능을 대략적으로 추산할 수 있지만 실제 성능은 실험을 통해서만 알 수 있습니다. 따라서 최적의 성능을 달성하는 것은 반복 과정입니다. 즉, 최적의 성능이 될 때까지 설계하고, 임펠러를 만들고, 그 성능을 테스트하고, 설계를 조정하는 과정을 반복하는 것입니다.

그러나 실제로 이 방식으로 성능을 최적화하는 데 엄청난 비용이 들었습니다. 공구 세공 비용, 특히 Tech Cast에서 제조하는 것과 같은 대형 임펠러는 비용이 엄청나게 들고 리드 타임도 오래 걸릴 수 있습니다. 이러한 공구는 가용성 또는 세라믹 코어로 내부 유로를 만들어야 하기 때문에 이 두 가지 공구를 제작해야 합니다. 변경된 설계를 평가하기 위해 공구를 반복해서 수정하거나 다시 만드는 일은 정말 실용적이지 못합니다. 따라서 펌프 제조사들은 성능 허용 범위에 들 때까지만 반복합니다. 최적의 성능을 달성하기 위한 추가 반복에 소요되는 시간이나 비용을 감당하지 못합니다.

Tech Cast는 반복할 때마다 드는 비용과 시간을 크게 줄여 펌프 제조사들이 전에 단일 주조로 가능했던 것보다 짧은 시간에 여러 버전으로 주조하고 공정에 드는 비용도 절감할 수 있는 공정을 선도해왔습니다. Tech Cast는 SLA QuickCast 3D 프린팅 패턴을 사용하기 때문에 각 반복 작업마다 사용하는 공구를 새로 만들거나 수정할 필요가 없습니다. QuickCast 패턴은 최초의 직접 패턴이었으며(3D 프린팅 공정으로 만든 패턴) 북미에서 가장 인기 있는 직접 패턴 기술입니다. Quickcast 패턴을 사용하면 왁스 패턴을 생산하는 공구를 만드는 데 시간이 많이 드는 공정 없이 주조물을 만들 수 있어 몇 개월이 아닌 며칠이면 설계를 평가할 수 있습니다. 일반적으로 QuickCast 패턴의 원가는 공구 세공 원가의 극히 일부이며, 1주일 이내면 나오기 때문에 완전이 가공한 임펠러를 3주 이내면 사용할 수 있습니다. QuickCast 패턴은 독특한 벌집형 구조로 빌드되어 온도에 비례해 팽창하지만 내부적으로는 축소됩니다. 패턴에 들어가는 재료도 최소화되기 때문에 연소 시 회분이 거의 생기지 않아 추가 단계를 많이 거치지 않고 신속하게 주조물을 만들 수 있습니다.

Tech Cast와 3D Systems가 함께 연구하여 그 공정의 이점을 정량화했습니다. 이 연구에서는 직경이 약 15 인치인 이중 흡입 임펠러를 선택했습니다(오른쪽 사진). 성형한 왁스 패턴과 3D Systems에서 제공하는 SLA QuickCast 패턴을 사용하여 주조물을 만들었습니다.

정확하게 비교할 수 있도록 주조 공정 각 단계에서 드는 비용과 시간을 기록했습니다.

첫 단계는 주조물의 CAD 모델을 만드는 것입니다. 이 고객은 일반적으로 기계 가공 임펠러를 정의합니다. 이후 파운드리에서 임펠러를 확대하여 주조 시 금속 수축을 보장하고, 머신 스톡을 추가하고, 게이트를 추가해야 합니다. 일반적으로 CAD 모델링에는 1주일이 소요되며, 일반 공정과 Tech Cast 공정이 모두 필요합니다.

일반 공정에서는 공구 작업장으로 파일을 보내면 왁스 패턴을 성형할 공구를 작업장에서 만듭니다. 이 임펠러는 공구 비용이 40,000달러이고 만드는 데 7-9 주가 걸렸습니다.

Tech Cast 공정에서는 모델을 3D Systems로 보내면 QuickCast 패턴을 만듭니다. 이 경우 패턴 비용은 3150달러이며 1주가 걸립니다.

기존 공정에서는 작업장에서 장비를 다시 받은 후에 Tech Cast의 기존 매몰 주조 공정을 사용하여 패턴을 성형하고 임펠러를 주조할 수 있습니다. 이 공정의 인력 대다수가 패턴 성형과 조립품 제작에 투입됩니다.

QuickCast 패턴을 받은 후에 기존 매몰 주조 공정을 약간 변경하여 주조물을 만듭니다. 주조 공정에서 추가 배기를 사용하므로 패턴을 녹이지 말고 쉘 밖에서 연소시켜야 합니다. 패턴 성형에 인력이 투입되지 않기 때문에 실제로 QuickCast 패턴의 주조 공정에 드는 인건비가 절감되지만 공정 조정에 몇 시간 더 소요됩니다.

다음 표는 Tech Cast 공정을 이 임펠러의 기존 공정과 비교한 것입니다.

Tech Cast 프로세스는 기존 공정에 비해 1/3 정도의 시간과 1/10 정도의 비용으로 임펠러를 생산합니다. 그리고 QuickCast 패턴으로 주조하면 인건비가 기존 주조 방식보다 81달러(임률을 시간당 60달러로 가정할 때) 절감됩니다.

이제 이 고객은 기존 공정에서 최초 주조에 드는 시간에 작업을 두 번 이상 반복할 수 있습니다.

최초 주조를 테스트할 때 성능이 미흡하다고 가정해보겠습니다. 제조사에서 성능을 개선하기 위해 설계를 변경하고 테스트할 임펠러를 하나 더 요구할 것입니다. 이후 파운드리에서 수정된 설계로 주조 모델을 만들 것입니다. 설계만 변경하는 것이므로 최초 모델링 시기처럼 1주일이 걸리지는 않을 것입니다. 설계 변경을 주조 모델에 적용하는 데 3~4일 정도 걸리는 것으로 가정합니다.

일반 공정에서는 변경을 적용하려면 공구를 수정해야 합니다. 변경에 소요되는 비용과 시간은 변경의 규모에 따라 다르겠지만, 비교적 변경 규모가 작은 경우는 평균적으로 공구 비용의 15%와 2주가 걸릴 것입니다. 이후 수정된 공구를 사용해 새 패턴을 성형하게 됩니다.

Tech Cast 공정에서는 새로 바뀐 모델을 사용해 QuickCast 패턴을 새로 만든 후에 이 패턴으로 주조하게 됩니다.

아래 표에는 이 두 방법의 두 번째 임펠러가 완성되는 시점이 요약되어 있습니다.

기존 공정에서는 설계 수정 후 임펠러 성능이 충족되면 제조사가 생산에 들어갈 가능성이 높습니다. 프로젝트 일정이 이미 늦어졌기 때문에 출시에 대한 압박이 성능 개선 요구를 앞섭니다.

Tech Cast 공정에서는 두 번째 임펠러 다음에 공구를 주문할 경우 7-9주의 시간과 40,000달러가 더 들기 때문에 생산까지 걸리는 시간과 비용이 일반 공정과 거의 동일합니다.

설계를 한 번 더 변경하여 세 번째 임펠러를 제작하는 경우는 다음과 같이 비교할 수 있습니다.

세 번째 임펠러로 생산을 결정하면 Tech Cast 공정이 일반 공정보다 1주 빠르고 비용은 대략 2,500달러 더 적게 들 것입니다.

Tech Cast 공정의 이점 중 하나는 몇 가지 설계 버전을 동시에 평가할 수 있다는 것입니다. 그 대신 제조사에서 세 가지 설계를 동시에 진행하고 제일 좋은 것으로 생산하기로 결정했다면 결과는 다음과 같을 것입니다.

제조사에서 최적의 설계로 생산하기로 선택하고 해당 공구를 주문한다면 일반 공정보다 6주 빨리 생산하고 공정 비용은 2,500달러 절감될 것입니다.

Tech Cast 공정의 또 다른 이점은 공구를 제작하면서 동시에 QuickCast 패턴으로 주조물을 계속 만들 수 있다는 것입니다. 따라서 제조사는 도구가 나오기 전에 현장 테스트 유닛과 최초 생산 펌프를 만들어 훨씬 빨리 출시할 수 있게 됩니다.

Tech Cast 공정은 세라믹 코어가 들어가는 임펠러도 사용할 수 있습니다. Tech Cast는 적층 제조 공정으로 세라믹 코어를 만들 수 있어 설계를 최적화한 후에 공구를 세공할 수 있습니다.