1. Introduction
La roue en acier inoxydable est un composant critique des pompes, compresseurs, et turbomachinerie, où ils transfèrent de l'énergie rotationnelle aux fluides.
Leur géométrie - Vanes courbées, tolérances serrées, et les surfaces hydrauliques lisses - impactent directement l'efficacité, durée de vie, et la fiabilité.
Cet article explore comment casting d'investissement délivre des traits de précision en acier inoxydable, Analyse des choix d'alliages, flux de processus, pratiques critiques, post-traitement, assurance qualité, Et comment cette méthode se compare aux alternatives.
2. Pourquoi la coulée d'investissement pour une roue en acier inoxydable?
Acier inoxydable La roue doit résister aux vitesses de rotation élevées, charges hydrauliques, corrosion, Et dans de nombreux cas, cavitation.
Leur performance dépend fortement d'une géométrie précise, lisse surfaces hydrauliques, et l'intégrité métallurgique.
Moulage de précision, Également connu sous le nom de processus de la chronométrage perdu, est devenu l'une des solutions de fabrication les plus efficaces pour les roues en acier inoxydable car elle offre un équilibre de flexibilité de conception, précision, et les performances matérielles.
Avantages clés de la coulée d'investissement
Capacité de géométrie complexe
Les entraînements présentent des aubes incurvées, Poyeuses creuses, et des sections à paroi mince qui sont difficiles ou impossibles à réaliser via la coulée de sable ou l'usinage.
La coulée d'investissement reproduit des conceptions de CAO complexes avec des épaisseurs de départs aussi faibles que 2.0–2,5 mm, soutenir les conceptions hydrauliques avancées.
Finition de surface supérieure
Les traits en acier inoxydable coulé par des investissements atteignent la rugosité de surface étendue de RA 1,6-3,2 μm, par rapport à RA 6,3 à 2,5 μm Pour couler de sable.
Cela réduit les exigences de polissage secondaires et améliore l'efficacité de la pompe par 2–3%, Un gain significatif dans les industries critiques d'énergie comme le dessalement et la pétrochimie.
Précision dimensionnelle élevée
Les tolérances typiques sont ± 0,1 à 0,2 mm par 25 mm, qui minimise l'usinage des trous d'alésage, Keywayways, et surfaces d'étanchéité.
Pour une production à volume élevé, La répétabilité garantit des performances hydrauliques cohérentes entre les lots.
Flexibilité matérielle
Le casting d'investissement fonctionne avec une large gamme d'aciers inoxydables, des notes austénitiques économiques (304/316) aux alliages duplex et du durcissement des précipitations.
Cela permet la personnalisation des entraves pour eau de mer riche en chlorure, Slurries abrasives, ou huile à haute pression & pompes à essence.
Utilisation des matériaux & Rentabilité
La production de quasi-net réduit les déchets de matières premières par 50–70% par rapport aux roues d'usinage de la billette ou de la plaque, le rendant rentable pour les volumes de production moyens à élevés.
Compromis et considérations
- Coûts d'outillage
L'outillage d'injection de cire pour les grasses peut coûter à partir de $5,000- 20 000 $, en fonction de la complexité.
Cela rend la coulée d'investissement moins attrayante pour les prototypes ponctuels, mais très efficace pour la production répétée. - Délai de mise en œuvre
Construire la coquille en céramique nécessite 7–10 couches, chacun avec des cycles de séchage de plusieurs heures, prolonger les cycles de production à 2–4 semaines.
L'usinage CNC peut être plus rapide pour la livraison de prototypes urgents. - Traitement post-casting
Même avec une grande précision, Les traits coupés d'investissement nécessitent équilibrage dynamique à Iso 1940 G2.5 - G6.3 Normes et usinage des alésages de moyeu pour atteindre les tolérances H7.
3. Alliages en acier inoxydable typiques pour les roues
Le choix de l'alliage en acier inoxydable pour les entraves affecte directement la résistance à la corrosion, résistance mécanique, et coût du cycle de vie.
Différentes applications de pompe - de la manipulation de l'eau de mer au dosage chimique - alliages à la fois adaptés à des environnements de fonctionnement spécifiques.
Table de comparaison en alliage en acier inoxydable
| Alliage | NOUS | Taper | Limite d'élasticité (MPA) | Résistance à la traction (MPA) | Élongation (%) | Sights de résistance à la corrosion | Applications typiques |
| 304 | S30400 | Austénitique | 205 | 515 | 40 | À usage général, bonne résistance chimique atmosphérique | Pompes CVC, systèmes d'eau douce |
| 316/316L | S31600 / S31603 | Austénitique (Molle) | 170–290 | 485–620 | 35–45 | Excellente résistance aux chlorures et aux acides | Pompes marines, transfert de produits chimiques, transformation des aliments |
| 410 / 420 | S41000 / S42000 | Martensitique | 275–450 | 480–700 | 18–25 | Dureté élevée, résistance à la corrosion modérée | Pompes à boue à haute teneur, exploitation minière |
| 17-4 PH | S17400 | Durcissement des précipitations | 620–1170 (âgé) | 930–1310 | 8–15 | Forte résistance, résistance à la corrosion modérée | Pompes d'alimentation à la chaudière à haute pression, Impulaires aérospatiaux |
| 2205 | S32205 | Duplex | 450 | 620–880 | 25 | Résistance élevée au chlorure, Bonne Corrosion Corrosion Cracking (SCC) résistance | Pompes d'injection d'eau de mer offshore |
| 2507 | S32750 | Super duplex | 550 | 800–900 | 25 | Piqûres de chlorure exceptionnelles et résistance à la corrosion des crevasses, résistance SCC forte | Dessalement, pompes sous-marines, saumures agressives |
| 904L | N08904 | Super austénitique | 220–240 | 490–710 | 35 | Résistance exceptionnelle à la réduction des acides (H₂so₄, acide phosphorique) et piqûres de chlorure | Engrais, pompes de processus chimique, refroidissement de l'eau de mer |
| Hastelloy C-276 | N10276 | Alliage ni-cr | 280 | 760 | 40 | Résistance supérieure à l'oxydation / réduction des produits chimiques | Pompes de manutention d'acide, Désulfurisation des gaz de combustion |
| Monel 400 | N04400 | Alliage Ni-Cu | 240–345 | 550–700 | 30 | Excellente résistance à l'eau de mer et à la saumure | Pompes marines, Évaporateurs de dessalement |
Directives de sélection des alliages
- Eau de mer / eau chlorée: Prioriser Pren >24 (316L, duplex 2205). 316L Impulseurs dans l'eau de mer de 5 à 8 ans au cours des derniers. 2–3 ans pour 304.
- Haute pression (>100 bar): 17-4 PH (à la chaleur) ou duplex 2205 - leurs limites d'élasticité (>450 MPA) Empêcher la déformation de la roue.
- Température élevée (>600° C): 304/316L (max 870 ° C) - Évitez le duplex 2205 (limité à 315 ° C) et 17-4 PH (adoucisse au-dessus de 600 ° C).
4. Flux de processus de coulée d'investissement pour les entraves
- Outillage & modèle - Modèles maîtres CNC ou modèles de résine imprimés en 3D pour les profils complexes. Compensation de retrait de contrôle.
- Injection de cire & déclenchement - Plans de cire précis, tiges robustes pour l'assemblage. Les tolérances d'outillage de cire sont importantes pour la géométrie des giroux.
- Assemblée (arbre de cire) - minimiser la longueur du coureur pour réduire les turbulences et minimiser les inclusions.
- Bâtiment de coquille - 6–10 coquilles de céramique; Épaisseur de la coquille choisie pour éviter la distorsion sur la verse et activer les taux de refroidissement appropriés. Profil de séchage contrôlé pour éviter la fissuration de la coquille.
- Déwax & tir de la coquille - Dewax contrôlé et tir à haute température pour éliminer les produits biologiques. La température de préchauffage de la coquille influence le comportement de vers.
- Fusion & coulant - Faire fondre la pratique (vide / induction / AOD) et verser une température / technique critique pour la propreté et la solidification.
- Refroidissement & secouer - Le refroidissement contrôlé évite les chocs thermiques et réduit les contraintes internes.
- Couper & graisse - Retirer les portes, minimiser la distorsion.
- Traitement thermique - Solution recuit pour l'austénitique, Âge pour les alliages de pH; Soulagement du stress au besoin.
- Usinage final, équilibrage & essai - alésages finaux, finition du visage, Équilibrage dynamique et tests hydrauliques.
- Finition de surface & revêtements - Polon, électropole, Appliquer des revêtements sacrificiels ou durs si nécessaire.
- Inspection & QA final - NDT, inspection dimensionnelle, Rapport et MTRS.
5. Fusion, Coulant, et les pratiques de traitement de la chaleur qui comptent pour les traces
Les traits en acier inoxydable coulé d'investissement doivent résister aux environnements durs, fabrication pratiques métallurgiques crucial pour atteindre une précision dimensionnelle, résistance mécanique, et résistance à la corrosion.
Contrairement aux moulages généraux, Les entraves ont des aubes minces et des profils hydrauliques complexes qui amplifient les risques de retrait, porosité, ou défauts microstructuraux.
Pratiques de fusion
- Fusion d'induction (FMI):
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- Les plus courants pour les roues en acier inoxydable en raison de la chimie contrôlée et du faible risque de contamination.
- Atmosphère de gaz inerte (argon) ou fusion de l'induction de l'aspirateur (Vim) Empêche l'oxydation et le ramassage d'azote.
- Induction de l'aspirateur à la fusion + Arc à l'aspirateur de remontage (Vim + NOTRE):
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- Utilisé pour les alliages critiques comme 17-4 PH, 2507, et 904L.
- Assure de faibles niveaux d'inclusion (<0.5% non-métallique) et une grande propreté, essentiel pour la résistance à la fatigue à cycle élevé.
- Faire fondre les paramètres:
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- Soufre ≤0,015% et oxygène ≤ 50 ppm pour minimiser la déchirure à chaud.
- Désoxydateurs (De, Al, Et) soigneusement équilibré pour éviter les inclusions.
Pratiques de versement
- Contrôle de surchauffe:
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- Surchauffe typique: 60-120 ° 100 au-dessus du liquide.
- Exemple: 316L (liquide ~ 1400 ° 100) versé à 1 460 à 1 500 ° C.
- Trop bas → erroné dans les aubes de roue minces. Trop haut → Film d'oxyde, porosité accrue.
- Solidification directionnelle:
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- Les entraves bénéficient de en bas + Alimentation assistée par la colonne montante, Assurer la solidification progresse à partir des conseils de ponts intérieurs.
- Frissons utilisés pour contrôler le refroidissement dans les régions à parois minces.
- Préchauffage de la coquille:
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- Coque en céramique préchauffée à 900–1 050 ° C pour le remplissage uniforme, réduire les turbulences et prévenir les fermetures à froid.
Pratiques de traitement thermique
Traitement thermique Tairs Propriétés mécaniques et performances de corrosion des traits en acier inoxydable:
| Alliage | Traitement thermique typique | Résultats clés |
| 316L | Solution recuit à 1 050 ° C → trempe d'eau | Restaure la résistance à la corrosion, dissout les carbures |
| 410/420 | Austénitiser 980–1,050 ° C → Opturation d'huile / trempage → Tempé 200–600 ° C | Atteint la dureté 40 à 50 HRC pour une résistance à l'usure |
| 17-4 PH | Traitement de la solution à 1 040 ° C → L'âge durcit à 480–620 ° C | Limite d'élasticité jusqu'à 1,170 MPA, résistance à la fatigue |
| 2205 Duplex | Solution recuit 1 050 ° C → trempe rapide | Austénite équilibrée (50/50), empêche la fragilisation |
| 2507 Super duplex | Solution recuit 1 080–1120 ° C → Extinction d'eau | Bois >40 maintenu, Évite la phase sigma |
| 904L | Solution recuit 1 100 ° C → Festion rapide | Maintient un contenu MO élevé dans la matrice, Éviter la sensibilisation |
6. Opérations post-casting
La coulée d'investissement produit une roue en acier inoxydable de forme proche, mais opérations secondaires sont essentiels pour atteindre les tolérances finales, lisse hydraulique, et opération sans vibration.
Coupe et suppression des portes
- Après le knock-out de Shell, les contremarches et les portes sont coupées en utilisant scies abrasives ou coupe de plasma.
- Des soins sont pris pour éviter les zones touchées par la chaleur (ZAT) qui peut modifier la microstructure.
- Perte de matériau typique: 3–5% du poids de la coulée.
Opérations d'usinage
Bien que le casting d'investissement fournit ± 0,1 à 0,3 mm Tolérances, Les caractéristiques critiques nécessitent l'usinage final:
- Usinage d'alésage: Les alésages de moyeu de roue sont usinés par précision et altérés vers la classe de tolérance IT6 - It7 pour les ingérences ou les ajustements glissants.
- Keywayways & Cannelures: CNC Broaching ou Milling Assure la compatibilité avec les arbres de pompe.
- Profilage de moule: Pompes haute performance (turbomachinerie, aérospatial) peut utiliser un fraisage CNC à 5 axes pour affiner l'épaisseur de la palette ± 0,05 mm.
- Filetage: Pour conserver les noix ou les attaches, Le taraudage de précision ou le fraisage de filetage est effectué.
Point de données: L'usinage contribue 10–20% du coût total de fabrication de la roue, Surtout pour les alliages de qualité aérospatiale comme 17-4ph.
Équilibrage dynamique
Les traits doivent tourner en douceur pour éviter la cavitation, bruit, et une défaillance prématurée.
- Équilibrage statique: Joué en premier pour éliminer le déséquilibre brut en me broyant ou en ajoutant des poids d'équilibrage.
- Équilibrage dynamique: Fait sur des machines de précision à ISO 1940 G2.5 ou G1.0 (pompes aérospatiales).
- Exemple: UN 50 KG Usalion Rendal équilibré à G2.5 a un déséquilibre résiduel <50 g · mm.
- Méthodes de correction: forage, Élimination des matériaux des pointes de ponts, ou ajouter des poids d'équilibre.
Finition des surfaces
L'efficacité hydraulique dépend fortement de la rugosité de surface des passages d'écoulement.
- Dynamitage / Grognement de grain: Supprime les oxydes et l'échelle de coulée, Préparer la surface au polissage.
- Microbillage: Fournit une finition mate uniforme (RA ~ 3,2-6,3 μm).
- Polissage:
-
- Polissage mécanique: Atteint RA ~ 0,8 à 1,6 μm.
- Électropolition: Dissout les aspérités de surface, Atteindre RA ~ 0,2–0,4 μm. Common pour 316L et 904L Impulseurs en service sanitaire ou maritime.
- Polissage miroir: Utilisé dans la transformation des aliments, pharmaceutique, ou des empilleuses de pompe à haut rendement; améliore l'efficacité hydraulique par 2–4% par rapport aux surfaces comme cast.
- Passivation (ASTM A967): La passivation de l'acide nitrique ou citrique restaure la couche passive d'oxyde de chrome, Améliorer la résistance aux piqûres.
Contrôles de qualité après la finition
- Inspection dimensionnelle: Cmm (coordonner la machine à mesurer) Vérifie les angles de ponts, longueurs d'accords, et l'alignement de l'alésage dans ± 0,05 mm.
- Mesure de rugosité de surface: Les profilomètres confirment les valeurs RA atteignent des cibles de conception.
- Vérification de l'équilibre: Certificats d'équilibrage finaux fournis par ISO 1940/1.
7. Modes de défaillance communs des stratégies d'atténuation de la roue en acier inoxydable et des stratégies d'atténuation
| Mode de défaillance | Description | Impact sur les performances | Stratégies d'atténuation de casting |
| Dommages causés par la cavitation | L'effondrement de la bulle de vapeur provoque des piqûres sur les surfaces de palette. | Baisse de l'efficacité (5–10%), vibration, bruit. | Finition de surface lisse (Ra ≤ 0.4 μm), alliages duplex (2205/2507), Courbure optimisée de la pale. |
| Corrosion / SCC | Piqûres ou fissures induites par le chlorure, surtout dans l'eau de mer et les produits chimiques. | Fissures à la racine du moyeu / palette, fuite, durée de vie raccourcie. | Mise à niveau en alliage (904L, super duplex), passivation post-coupée, Microstructure uniforme pour réduire les sites galvaniques. |
| Fissure de fatigue | Contrainte à cycle élevé aux jonctions de moule à hub ou épaule d'alésage. | Fracture catastrophique sous charge cyclique (>3,600 Service RPM). | La coulée proche du réseau réduit les éoutilades de stress, raffinement des grains, traitement thermique post-coupé (17-4PH: +25–30% de force de fatigue). |
| Érosion par les solides | Les particules de sable / suspension abrasent les pointes de ponts et les bords. | Section amincissant, perte d'efficacité, déséquilibre. | Halage (Stellite, Revêtements WC), Arêtes de palet sacrificielles plus épaisses, aciers duplex pour la résistance à l'usure. |
| Porosité & Défauts de retrait | Vides internes à partir de mauvais aliments ou de gaz piégés. | Initiation de fissure sous charge, réduction de la vie de la fatigue. | Conception de déclenchement / colonne montante optimisée, Maisse sous vide / protection de l'argon, NDT (Rt, Utah) pour la détection des défauts. |
| Échecs de déséquilibre | La distribution de masse inégale entraîne des vibrations. | Usure, désalignement des tiges, panne de pompe prématurée. | Coulage de précision pour la symétrie, usinage des alésages, Équilibrage dynamique aux normes ISO G2.5 / G1.0. |
8. Assurance qualité
NDT
- Radiographie (Radiographie / ct): Méthode primaire pour la porosité et les inclusions internes. CT fournit une cartographie des défauts 3D pour les traits critiques.
- Tests ultrasoniques: pour les hubs plus épais ou où la radiographie est limitée.
- Colorant pénétrant: Détection de fissure de surface.
- Actuel de tourbillon: Inspections de surface et de surface proches.
Métallographie & chimie
- Vérifier la microstructure (taille des grains, phases), Contenu d'inclusion et chimie contre MTR. Pour les notes duplex et du pH, Vérifiez l'équilibre de la phase et précipite.
Tests mécaniques
- Traction, dureté, impact (Charpy V) par spécification pour l'alliage et la température de service. Test de fatigue pour les applications critiques.
Équilibrage dynamique
- À Iso 1940 (Équilibrer les notes) ou spécifications du rotor OEM. Impulaires industriels typiques: G6.3 - G2.5 en fonction de la vitesse et de l'application.
9. Comparaison de différentes méthodes de fabrication pour une roue en acier inoxydable
Une roue en acier inoxydable peut être produite par plusieurs itinéraires de fabrication.
Le choix dépend de facteurs tels que la complexité de la géométrie, Exigences de performance, volume de production, et contraintes de coût.
| Méthode | Avantages | Limites | Applications typiques | Niveau de coût |
| Moulage d'investissement | - forme proche du réseau (usinage minimal).- Excellente finition de surface (RA 1,6-3,2 μm, peut atteindre ra ≤ 0.4 μm après polissage).- Géométrie complexe réalisable (aubes minces, passages courbes, Impulaires enveloppés).- Sélection en alliage large (304, 316L, 904L, duplex, 2507, 17-4PH). | - Coût d'outillage plus élevé que la coulée de sable.- Temps de cycle plus long (10–14 jours typiques).- Taille limitée (généralement ≤ 1,5 m de diamètre). | Pompes haute performance, compresseurs, Impulaires marins et chimiques. | ★★★ (Moyen-élevé) |
| Coulée de sable | - Faible coût d'outillage.- Convient aux très grandes traces (>2 diamètre M).- Échelle de production flexible. | - finition de surface plus pauvre (RA 6,3 à 2,5 μm).- Précision dimensionnelle inférieure (± 2–3 mm).- Plus d'usinage requis. | Grandes pompes à eau, fans à basse pression, aquarelle municipale. | ★★ (Moyen) |
Usinage de précision (du bar / billette) |
- Excellentes tolérances (± 0,01–0,05 mm).- Pas de défauts de coulée (porosité, rétrécissement).- Retarage rapide pour les prototypes et les petites courses. | - déchets de matériaux très élevés (60–70%).- Limité aux géométries simples ou semi-complexes.- Cher pour les grosses trousses. | Prototypes aérospatiaux, pompes médicales, One-offs personnalisé. | ★★★★★ (Très haut) |
| Forgeage + Usinage | - Propriétés mécaniques supérieures (flux de grains, résistance à la fatigue).- Bonne ténacité et résistance à l'impact.- Fiable pour les pompes à haute pression. | - ne peut pas atteindre des géométries de ponts complexes sans usinage lourd.- Coût de forge élevé pour les aciers inoxydables.- Temps de plomb long. | Turbines de production d'électricité, pompes nucléaires, Pompes API. | ★★★★ (Haut) |
| Fabrication (Soudé) | - Flexible pour les conceptions personnalisées.- GRANDS INSUBLIRES POSSIBLE (>3 m).- Réparation par le refonte. | - Critique de la qualité de la soudure (risque de distorsion, fissure).- Rugosité de surface plus élevée.- Équilibre incohérent. | Très grands ventilateurs axiaux, soufflantes industrielles, turbines hydroélectriques. | ★★ - ★★★ (À faible teneur) |
Plats clés à retenir
- Moulage d'investissement est idéal pour Impulseurs de précision à moyenne à élevée où la complexité de géométrie, efficacité, et la finition de surface sont critiques.
- Coulée de sable domine dans grand diamètre, Impulaires à basse pression où le coût compte plus que l'efficacité.
- Usinage de billette est utilisé pour petits lots ou prototypes, Mais le coût et les déchets sont importants.
- Forgeage + usinage proposer résistance mécanique supérieure, Convient aux pompes critiques de mission.
- Fabrication soudée reste un solution rentable pour des roues surdimensionnées au-delà des limites de casting.
10. Conclusion
La coulée d'investissement est la méthode la plus pratique pour produire des traits en acier inoxydable lors de la performance, précision, et le solde des coûts est requis.
Avec une sélection en alliage appropriée, faire fondre, traitement thermique, et finir, Les trères coulées d'investissement offrent une excellente résistance à la corrosion, force de fatigue, et efficacité hydraulique.
Pour les industries allant des pompes marines aux compresseurs de raffinerie, Cette solution offre une fiabilité éprouvée et un coût de cycle de vie optimisé.
FAQ
Quel alliage en acier inoxydable dois-je utiliser pour une roue à pompe d'eau de mer?
Duplex 2205 (Bois 32–35) est idéal pour l'eau de mer - il résiste aux piqûres et à la corrosion de stress qui fissurent mieux que 316L.
Pour les applications sensibles aux coûts, 316L (Bois 24–26) est une alternative viable, Mais attendez-vous à une durée de vie plus courte (5–8 ans vs. 8–12 ans pour duplex 2205).
Combien de temps faut-il pour produire 1,000 Rencontre en acier inoxydable coulé d'investissement?
Le délai est de 4 à 6 semaines pour l'outillage existant (Comprend l'injection de cire, bâtiment de coquille, coulant, traitement thermique, et finir). Pour de nouveaux outils, Ajouter 4 à 6 semaines (total 8 à 12 semaines).
Quelle est l'épaisseur minimale de la lame réalisable avec le casting d'investissement?
Pour 304 / 316L en acier inoxydable, L'épaisseur minimale de la lame est 1.5 mm (Utilisation de la verse vers l'aspirateur et des supports de cire rigides).
Lames plus minces (1.0–1,5 mm) sont possibles mais nécessitent des outils personnalisés et ajouter 15 à 20% au coût unitaire.
Pourquoi l'équilibrage dynamique est-il critique pour les entraves?
Les cordes déséquilibrées provoquent des vibrations de pompe (>0.1 mm / s), qui porte les roulements et les joints - réducteur de la durée de vie de la pompe par 70%.
Équilibrer à ISO 1940 G2.5 assure des vibrations <0.1 mm / s, prolonger la durée de vie à 3 à 5 ans.
Le coulage des investissements est-il plus cher que le coulage de sable pour les entraves?
Le coût d'outillage initial est plus élevé ($8K - 12 000 $ VS. $3K - 5 000 $), Mais le coût unitaire est compétitif pour les volumes moyens (500–1 000 unités).
Pour 10,000 150 MM 316L, Le casting d'investissement totalise 3,5 millions de dollars à 4,5 millions de dollars vs. $2.5M - 3,5 M $ pour la coulée de sable - mais la coulée de sable nécessite 30% Plus de post-machine, Effacer l'écart de coût pour des roues complexes.
