Ingo Ederer
Voxeljet
Additive Fertigung
Mehr Freiheit
bei Sandgussformen
Mit Hilfe des 3D-Drucks lässt sich der Herstellungsprozess von Formen und Kernen drastisch verkürzen. Ganze Arbeitsschritte wie unter anderem die teuren Werkzeugkosten können eingespart werden, da für die Herstellung von Sandformen und -kernen lediglich ein CAD-Datensatz notwendig ist.
Stromversorgung in Äthiopien
Die eigene Stromversorgung für ein kleines Krankenhaus in Äthiopien war wegen eines defekten Turbinenrads nicht mehr gewährleistet. Bei dem Turbinenrad handelte es sich um ein Einzelstück, sodass die konventionelle Herstellung ein sehr teures und aufwendiges Unterfangen darstellte. Zudem hätte die Fertigung mehrere Monate in Anspruch genommen, was für das Krankenhaus nicht in Frage kam.
Im Rahmen eines Sozialprojekts haben einige Technologie-Unternehmen die Stromversorgung binnen kurzer Zeit wieder sichergestellt. Voxeljet lieferte mit seiner 3D-Drucktechnologie den Sandkern des Turbinenlaufrads, der innerhalb weniger Tage an einem Stück produziert wurde. Die Stromversorgung wurde somit zudem wirtschaftlich durch die innovative 3D-Drucktechnologie zeitnah sichergestellt.
3D-Druck: Sandformen und Kerne beliebiger Komplexität werden über einen Schichtbauprozess hergestellt. Dabei verteilt ein Recoater das Partikelmaterial in einer sehr dünnen Schicht über das gesamte Baufeld. Ein Druckkopf bringt Bindemittel selektiv an den Stellen auf, wo das Bauteil entsteht. Diese beiden Schritte werden so oft wiederholt, bis das gesamte Bauteil realisiert ist. Anschließend wird das Bauteil vom losen Partikelmaterial befreit und nachbearbeitet. Fotos: Voxeljet
Schlichten: Analog zum klassischen Sandguss wird auch der gedruckte Kern in der Gießerei mit Schlichte versehen, um den hohen thermischen Beanspruchungen standhalten zu können.
Kernmontage: Anschließend wird der 3D-gedruckte Sandkern in eine konventionell hergestellte Form eingesetzt. Generell lässt sich eine Hybridbauweise aus gedruckten und konventionell hergestellten Formen beliebig kombinieren.
Abguss: Nun wird das Turbinenrad abgegossen. Mit den 3D-gedruckten Formen und Kernen lassen sich alle gängigen Legierungen gießen. Durch unterschiedliche Sandkörnungen lässt sich die Oberflächengüte beeinflussen.
Entkernen: Wie auch bei der konventionellen Herstellung handelt es sich beim 3D-Druck von Sandformen und Kernen um das Gießen mit verlorener Form. Die Form wird beim Entfernen zerstört.
Nacharbeit: Nach dem Entformen wird das Bauteil nachbearbeitet. Der Aufwand für die Nacharbeit wird durch Anwendung des 3D-Druckverfahrens reduziert, da Gussteile bereits über eine höhere Genauigkeit verfügen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass selbst komplexe Geometrien mit Hinterschneidungen an einem Stück gedruckt werden können.
Wie kann es sein, dass der Sandkern eines Turbinenrads in der konventionellen Herstellung bis zu 3600 Euro kostet und durch den Einsatz von 3D Druckern in der Regel nur 900 Euro? Die Fertigung von Sandformen und Kernen ist mit dem 3D-Druckverfahren in wenigen Tagen möglich. Im Vergleich zu konventionellen Herstellungsverfahren bedeutet das eine Zeiteinsparung mehrerer Wochen.
Vergleich von Produktionszeiten und -kosten. Quelle: Voxeljet
Beispiel eines Turbinenlaufrads: Vergleich der konventionellen mit additiver Fertigung.
Kurze Lieferzeit und hohe Flexibililtät
Durch die werkzeuglose Herstellung von Sandformen und -kernen lassen sich Einzelteile bis Kleinserien wirtschaftlich fertigen. Der Komplexität von Formen und Kernen beim 3D-Druck sind dabei – im Gegensatz zur konventionellen Herstellung – nahezu keine Grenzen gesetzt. Denn der Aufwand des 3D-Druckens ist unabhängig von der Komplexität des Bauteils.
Im konkreten Fall der Herstellung eines Sandkerns für ein Turbinenrad kommen diese Faktoren besonders deutlich zum Tragen. In der konventionellen Herstellung müssen die einzelnen Kernsegmente der Turbinenschaufeln aufwendig zu einem Kern zusammengesetzt werden. Beim 3D-Druckverfahren hingegen wird der gesamte Turbinenkern am Stück hergestellt. Der gesamte Herstellungsprozess verkürzt sich deutlich. So können bei kleiner Stückzahl bis zu 75 Prozent der Kosten eingespart werden, und eine qualitativ gute Reproduzierbarkeit sowie Genauigkeit kann sichergestellt werden.
Kurze Lieferzeiten und hohe Flexibilität zur Erfüllung unterschiedlichster Anforderungen spielen eine enorm wichtige Rolle. Doch wie lassen sich diese beiden Faktoren sinnvoll und vor allem wirtschaftlich miteinander verknüpfen?
Die Fertigung von Sandformen und Kernen ist mit dem Voxeljet-3D-Druckverfahren in wenigen Tagen möglich. Im Vergleich zu konventionellen Herstellungsverfahren bedeutet das eine Zeiteinsparung mehrerer Wochen. Zudem wird die Flexibilität in vielerlei Hinsicht erhöht. Zum einen muss nicht auf Hinterschneidungen oder Entformungsschrägen geachtet werden. Zum anderen können notwendige Gusseinrichtungen wie das Angusssystem direkt in den Formkasten konstruiert und mitgedruckt werden. Auch Bauteiländerungen können schnell und einfach umgesetzt werden. Ziel ist es, den Zeit- und Kostenaufwand der Form- und Kernherstellung deutlich zu reduzieren und komplexe Geometrien einfach zu realisieren. Dabei kann eine Hybrid-Bauweise, die 3D-Druck und die konventionelle Herstellung kombiniert, beliebig eingesetzt werden.
Kontakt
Dr. Ingo Ederer
Gründer und Vorstand
voxeljet AG
Friedberg (Bayern)
Tel. +49 821 7483-100
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