3D-Druck: Voxeljet beschleunigt Gussprozesse aller Art

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Beispiele aus der Praxis

Wie leistungsfähig die Voxeljet-Printer in der Praxis sind, zeigt sich an den unterschiedlichsten Einsatzfällen wie beispielsweise beim Rapid Manufacturing von Zweitaktmotoren für Kettensägen. Ein Motor misst gerade einmal 78 x 76 x 59 Millimeter. Um die Modelle möglichst schnell und kostengünstig herstellen zu können, hat Voxeljet 780 dieser Motoren zu einem Druckjob in einem Bauraum mit den Abmessungen 1000 x 600 x 500 Millimeter zusammengefasst. Mit dem Hochleistungsdrucker VX1000 gelang der Ausdruck in 23 Stunden, was einer Druckzeit von nur 1,8 Minuten pro Motor entspricht.

Die konventionelle Herstellung von Prototypen kann Monate dauern. Ganz anders beim 3D-Druck: Sobald der CAD-Entwurf fertig ist, werden die Daten per E-Mail an die Auftragsabwicklung von Voxeljet geschickt. Je nach Grösse des Werkstücks dauert das Drucken ein bis zwei Tage. Da der Kern «am Stück» gedruckt wird, fällt eine aufwändige Endmontage von Einzelkomponenten weg.

Zu den Unternehmen, die von den Vorteilen der Voxeljet-Technologie überzeugt sind, gehört der Pumpenhersteller Nijhuis. Das niederländische Unternehmen giesst am Standort Winterswijk sowohl Pumpengehäuse als auch Laufräder mit einem Gewicht von bis zu 800 Kilogramm. Die Holländer haben bereits einige Projekte mit Voxeljet erfolgreich abgeschlossen. «Gerade ein Unternehmen wie unseres, in dem viele Prototypen und Kleinserien gefertigt werden, profitiert in puncto Zeit und Qualität enorm von den Möglichkeiten des 3D-Drucks», so Nijhuis-Entwicklungsingenieur Luke Vrielink.

Zylinderkopf-Rekonstruktion für Oldtimer

Auch im Ersatzteilbereich kann die 3D-Drucktechnologie ihre Stärken ausspielen. Hier sind oftmals nur geringe Stückzahlen gefordert oder es müssen Einzelteile rekonstruiert werden wie im Falle von Zylinderkopfteilen für einen Porsche-Motor. Im Schadensfall half hier nur die Nachkonstruktion – der 3D-Druck erwies sich dabei als einzige wirtschaftliche Möglichkeit.

Die Rekonstruktion eines Carrera-Aluminium-​Zylinderkopfes begann mit dem Vermessen und Scannen des defekten Bauteils. In aufwändiger Kleinarbeit mussten Ventilführungen, Sitzringen, Nockenwellenlagern, Ein- und Auslasskanälen, Zylinderkopfverschraubung usw. 3D-Grundkörper angelegt, zu übergeordneten Funktionsmodellen importiert und mit giesstechnischen Konstruktionsmerkmalen wie Aufmass, Abzugsschräge, Verrundungen versehen werden.

Nach der geometrischen Rekonstruktion stand die Herstellung der Sandkerne auf dem Programm. Die Umsetzung des Projektes mit klassischen Kernen auf Basis von Kernformwerkzeugen war allein aus Kostengründen unmöglich. Die einzige Alternative bestand in der Herstellung der Kerne über den 3D-Druck.

Den Druck des kompletten Kernpakets mit insgesamt elf Kernen übernahm das Voxeljet-Dienstleistungszentrum. Dank der hervorragenden Druckqualität der Voxeljet-Printer war es zudem möglich, die mit zwei Millimetern extrem dünnwandigen Kühlrippen ohne zusätzliche Stützstrukturen in den Innen- und Aussenkernen darzustellen.

Bauteiloptimierung durch Computersimulation

Durch die Kombination von Topologie-Optimierung, Gusssimulation, Lebensdauer-Analyse und 3D-​Druck lassen sich Bauteile bezüglich Stabilität und Gewicht optimieren. Mithilfe einer Software wurde beispielsweise ein Radträger aus Aluminiumguss in seiner Oberfläche optimiert, hinsichtlich seiner Herstellbarkeit analysiert und auf seine Lebensdauer überprüft. Die für das Bauteil nötigen Gussformen wurden von Voxeljet im 3D-Druckverfahren hergestellt. Dank optimaler Formgebung durch Strukturoptimierung und der Gestaltungsfreiheit im Formenbau durch 3D-Druck liessen sich deutlich verbesserte Leistungsmerkmale realisieren. Das Ergebnis ist vielversprechend: Der neu gestaltete Radträger ist nun im Vergleich zum alten Design um den Faktor 3 bis 5 steifer, ohne dass zusätzliches Material eingesetzt wurde. Weiterer Vorteil: Der Produktionsprozess ist bereits gut etabliert und in vielen Industrien zertifiziert. Zudem eignet er sich für die Serienproduktion.

Die Anzahl an Praxisbeispielen liesse sich beliebig fortsetzen. Dabei unterstreicht jeder einzelne Fall, wie die 3D-Drucktechnologie die Werkzeugpalette von Giessereibetrieben entscheidend erweitert – ohne den klassischen Formenbau zu ersetzen. Ob im Ersatzteilgeschäft, in Klein- und Sonderserien oder im Prototypenbau – ob in der Automobilindus­trie, der Luft- und Raumfahrt oder im klassischen Maschinenbau – das Additive Manufacturing kann Giessereibetrieben in allen Bereichen zu signifikanten Wettbewerbsvorteilen verhelfen. -mei- SMM

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