Voxeljet: Sandguss-Formen im 3D-Druck Wirtschaftlicher und effizienter zum Gussprototyp

Redakteur: Konrad Mücke

Wirtschaftlicher, flexibler und kurzfristiger kann die Gratz Engineering GmbH Gussteile als Prototypen fertigen, indem sie die Formen für den Sandguss mit einem 3D-Drucker von Voxeljet herstellt. Zudem produziert die Giesserei als Automobilzulieferer direkt Bauteile mit dem Lasersinter-Verfahren.

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Beim Feinguss wird ein positives Urmodell, zum Beispiel ein Abgaskrümmer, aus PMMA auf einer 3D-Druckanlage gedruckt (links).
Beim Feinguss wird ein positives Urmodell, zum Beispiel ein Abgaskrümmer, aus PMMA auf einer 3D-Druckanlage gedruckt (links).
(Bild: Voxeljet AG)

Andreas Steinbronn, Abteilungsleiter Teilemanagement bei Gratz im deutschen Dieburg, erklärt die Vorteile des Sand-3D-Drucks für Giessereien. Er sei wirtschaftlich, beschleunige die Durchlaufgeschwindigkeit und ermögliche eine andere Gestaltung und unkonventionelle Herstellprozesse. 3D-Sandformdruck mit anschliessendem Giessen der Bauteile ist vergleichsweise günstig, aber für Rapid Proto­typing mitunter zu langsam. Deshalb arbeitet die Giesserei auch mit direktem 3D-Druck im Lasersinter-Verfahren.

Generativ zu fertigen ist bereits üblich

Andreas Steinbronn sagt zur Arbeitsweise der Giesserei: «Wir arbeiten in der Protoypenfertigung vor allem mit dem Direct-Metal-Lasersintern und dem Guss mithilfe zugekaufter 3D-gedruckter Sandkerne und -formen und Feingussmodelle. Bei gut fünf bis zehn Prozent aller unserer Aufträge kommt die additive Fertigung zum Einsatz. Obwohl der 3D-Druck bereits seit über vierzig Jahren in der Industrie Anwendung findet, ist das Verfahren im Vergleich zu anderen Verfahren wie dem klassischen Fräsen allerdings bisher nur wenig integriert. Bereits seit Mitte der Neunzigerjahre arbeiten wir mit 3D-Druck-Verfahren. Unsere erste Einschätzung war seinerzeit, dass sich tolle Möglichkeiten auftun. Das betrifft vor allem die Designfreiheit. Dadurch konnten wir den 3D-Druck schon sehr früh in unsere Entwicklungsprozesse einbinden. Das ist besonders interessant bei der technologischen und topologischen Optimierung von Bauteilen, hauptsächlich um sie leichter auszuführen.» Inzwischen gehört 3D-Druck zum Alltag in der Giessserei. Wie Andreas Steinbronn weiter ausführt sei aber noch viel Aufklärungsarbeit hinsichtlich der Vorteile des 3D-Drucks zu leisten. «Besonders unsere Auftraggeber haben nach wie vor umfassen­den Bedarf an Information», erläutert Andreas Steinbronn und fährt fort: «Schnelligkeit ist das eine, dafür nehmen wir das direkte Metall-Lasersintern. Soll es wirtschaftlicher sein, favorisieren wir, Sandformen mit dem Verfahren von Voxeljet zu drucken. Wenn man die Bauteile aufgrund sehr komplexer Geometrien nicht fräsen kann, stellen wir sie via 3D-Druck her. Das gilt vor allem für Prototypen und Kleinserien. Neben Komponenten für Motoren betrifft dies alle weiteren Bauteile im Fahrzeug- und im Sondermaschinenbau.»

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Lasersintern oder giessen?

Die Bauteilqualität und Beständigkeit der mit dem Laser aus Pulver gesinterten Bauteile ist inzwischen so gut, dass bei entsprechender Nacharbeit und sogar bei hoher Fertigungsgeschwindigkeit 99 Prozent Bauteildichte realisierbar sind. Jedoch verursacht Lasersintern aufgrund des hohen Aufwands für Rohstoffe und grosser Investitionen in Anlagen sowie wegen der noch relativ langsamen Baugeschwindigkeiten hohe Kosten. Metall-Lasersintern, also der direkte 3D-Druck, eignet sich wegen der Anlagen nur für relativ kleine Bauteile. Zudem erfordern die Bauteile ein heissisostatisches Pressen (HIP), um eine ausreichend gute Bauteildichte und Festigkeit zu verwirklichen. Zu den Kosten erläutert Andreas Steinbronn: «Unterm Strich liegen die Durchschnittspreise für Pulver zum Metall-3D-Druck bei etwa 300 Euro pro Kilogramm bei Aluminium, 400 Euro bei Edelstahl und bis zu 1300 Euro pro Kilogramm bei Sonderlegierungen.»

Zeit gegen Kosten abwägen

Zum Abschätzen der Vorteile sagt Andreas Steinbronn: «Metall-3D-Druck wie das Lasersintern ist zu kostspielig, wenn es nicht auf kurze Durchlaufzeit ankommt. Wenn der Prototyp zwei bis drei Wochen Zeit hat, greifen wir generell lieber auf die Kombination des klassischen Gusses mit 3D-gedruckten Sandformen oder Feingussmodellen aus PMMA zurück. Das spart enorm Kosten. Die erhöhte Lebensdauer und Stabilität der Bauteile ist auch vorteilhaft. Als günstig erweisen sich die grossen Bauräume und hohen Druckraten. Beim Binder-Jetting-Verfahren können wir bei einem 3D-­Druckvorgang mehrere Varianten Prototypen, beispielsweise Turbolader, parallel und übereinandergeschachtelt herstellen. Wir nutzen das Volumen des Bauraums bestmöglich. So können wir die anschliessenden Tests der generativ gefertigten Bauteile parallelisieren. Das spart zusätzlich Zeit. Das kostet zwar, im Vergleich zum Lasersintern, immer noch etwas mehr Zeit, aber dafür können wir eben direkt unterschiedliche Varianten des Bauteils gleichzeitig testen, um ein finales Design schnellstmöglich zu definieren und für die Produktion freizugeben. Zudem haben wir eine deutlich grössere Vielfalt an Werkstoffen beim Guss. Wir können eigentlich mit beliebigen Legierungen arbeiten. Beim Metall-­Lasersintern hingegen sind wir eher eingeschränkt.» Zu den Kosten erläutert Andreas Steinbronn weiter: «Beim 3D-Sanddruck kostet ein Kilogramm fertiges Bauteil zwischen 6,50 bis 32 Euro. Die Kosten für den gedruckten Sand betragen etwa 9 Euro.»

Deshalb stellen die Giesser in Dieburg Bauteile mit komplexen Geometrien in kleinen Serien bis zu einhundert Exemplaren und als Prototypen wirtschaftlich im Verfahren Sand-3D-Druck und anschliessendes Giessen her. Wie Andreas Steinbronn berichtet, ist dafür Voraussetzung, dass sich die Formen, die Kerne und die Modelle schnell und kostengünstig ohne aufwendige Spezialwerkzeuge herstellen lassen. Dies ist mit dem industriellen 3D-Druck von Voxeljet realisierbar. Das Rapid Casting genannte Verfahren druckt die für den Guss benötigten Formen und Kerne komplett werkzeuglos. Dafür nutzen die Anlagen sämtliche in Giessereien üblichen Werkstoffe. Beispielsweise verfügt die Anlage Voxeljet VX4000, die als das
derzeit weltweit grösste 3D-Drucksystem für Sandformen gilt, über einen 4000 x 2000 x 1000 mm messenden Bauraum. Das System ermöglicht, Gussformen im Binder-Jetting-Verfahren schnell und automatisiert herzustellen. Dabei wird Sand mit einem Klebstoff zu den programmierten Formen verbunden. Kleine, filigrane und genaue Gussteile lassen sich vorteilhaft mit PMMA herstellen. Aus diesen Kunststoffen werden Modelle gedruckt, anschlies­send in Keramik eingeformt, ausgeschmolzen und die Hohlformen zum Giessen
genutzt, vergleichbar dem Wachsausschmelz­verfahren. - kmu - SMM

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