Sandgussformen schnell und wirtschaftlich

Was in der Automobilindustrie begann, setzt sich heute in vielen anderen Industriesektoren fort: der Siegeszug der 3D-Drucktechnologie. Immer mehr Anwender schätzen die Zeit- und Kostenvorteile dieses Verfahrens bei der werkzeuglosen Herstellung von Sandformen für den Metallguss. Und profitieren dabei von den neuesten Entwicklungen dieser noch jungen Technologie.

Gussteile in kleinen Losgrößen haben Konjunktur. Waren es in der Vergangenheit vorwiegend Automobilhersteller und Zulieferer, die in der Erprobung und im Prototypenbau Bauteile und Komponenten aus Metallguss in sehr kleinen Stückzahlen benötigten und dafür im 3D-Druck eine überlegene Technologie zur Herstellung der benötigten Sandkerne und Formen fanden, hat sich das Verfahren im Laufe der Zeit in einer Vielzahl von weiteren Industriezweigen etabliert. Heute kommt das 3D-Druckverfahren neben den klassischen Applikationen überall dort zum Einsatz, wo die schnelle und wirtschaftliche Herstellung von Sandformen auf dem Programm steht – sei es in der Architektur, bei Restaurationen, in der Luft- und Raumfahrt oder bei der Herstellung von Designermöbeln.
Der Durchbruch dieser Technologie macht sich auch im Dienstleistungszentrum der voxeljet technology GmbH bemerkbar. Hier entstehen auf hochmodernen 3D-Druckanlagen Sandformen und Kerne für den Metallguss in erster Güte exakt nach Kundenvorgaben. „Noch nie haben wir ein derart breites Spektrum an Formen gedruckt und noch nie so viele Kunden aus unterschiedlichen Industrien bedient wie heute“, verrät Dr. Ingo Ederer, Geschäftsführer der voxeljet technology GmbH.
Zwei Faktoren sind es, denen man diese positive Entwicklung zuschreibt: Zum einen ist es die Kenntnis über die grundlegenden, verfahrensimmanenten Vorteile der 3D-Drucktechnologie, die sich in allen Industriebereichen immer schneller verbreitet, zum Anderen forcieren die erzielten Quantensprünge bei der Performance der 3D-Drucksysteme maßgeblich deren Anwendungsmöglichkeiten.

Vorteile der 3D-Drucktechnologie
Im Gegensatz zur konventionellen Herstellung von Formen, bei der allein die Fertigung von Modellplatten oder Kernkästen mehrere Wochen in Anspruch nehmen kann, lassen sich im 3D-Druck kleinere Sandformen bereits in wenigen Stunden „drucken“. Die Formen entstehen ohne aufwendige und teuere Formeinrichtung vollautomatisch rein nach CAD-Daten im sogenannten Schichtbauverfahren durch den wiederholten Auftrag von 300 Mikrometer dicken Quarzsandschichten, die über den Druckkopf der Anlage selektiv mit einem Binder verklebt werden. Nach dem Druckprozess muss die Form nur noch entpackt, also von überschüssigen Sand befreit werden – fertig.
Mit der 3D-Drucktechnologie lässt sich nicht nur die Herstellungszeit für Prototypen und Kleinserien signifikant verkürzen, auch die Gestaltungsfreiheit des Konstrukteurs ist weit weniger eingeschränkt als bei konventioneller Fertigung. Konstruktionen können strukturgerecht erfolgen, ohne auf Entformungsschrägen oder Hinterschnitte achten zu müssen. Selbst im Erprobungsstadium geänderte Formen können ohne zeitintensive Änderung von Werkzeugen sofort analog der neuen CAD-Daten ausgedruckt werden.
Neben dem zeitlichen Aspekt sprechen aber auch Kostengesichtspunkte für den Einsatz der Schichtbautechniken. Der 3D-Druck ist bei einer Gesamtkostenbetrachtung aufgrund der nicht vorhandenen Werkzeugkosten bis zu einer bestimmten Losgröße erheblich günstiger als die konventionelle Vorgehensweise. „Je kleiner die Losgröße, desto größer ist der Kostenvorteil unserer voxeljet-Technologie. Je nach Komplexität und Größe der Formen rechnet sich der 3D-Druck heute oftmals noch bei Losgrößen von mehreren Hundert Teilen“, so Dr. Ingo Ederer.

Fortschritte in der Performance der Drucksysteme
Ausschlaggebend für die sprunghaft gestiegene Akzeptanz der 3D-Drucktechnologie über alle Branchen hinweg sind natürlich auch die gewaltigen Fortschritte in der Performance der Drucksysteme wie ein Blick in das voxeljet-Dienstleistungszentrum zeigt. Hier kommen ausschließlich 3D-Drucker aus dem eigenen Haus zum Einsatz, denn voxeljet betreibt nicht nur eines der europaweit größten Dienstleistungszentren für die on demand-Fertigung von Formen, sondern hat sich auch als Hersteller von innovativen 3D-Druckanlagen weltweit einen Namen gemacht.

„Sowohl bei der Druckqualität als auch bei der Druckgeschwindigkeit haben sich in den letzten Jahren wahre Quantensprünge vollzogen. Mit den Hochleistungsdruckköpfen der neuen Maschinen erreichen wir heute nicht nur hervorragende Auflösungen, sondern auch Druckgeschwindigkeiten, die um den Faktor fünf höher liegen als noch vor einigen Jahren. Außerdem können wir heute mit unserer VX4000 Formen in der Größe eines Sportwagens generieren – bis vor kurzem wäre dies noch unvorstellbar gewesen“, so Dr. Ederer.
Tatsächlich erlaubt die VX4000 (Bild oben rechts) die Herstellung von Sandformen mit einem Volumen von acht Kubikmetern in den Dimensionen 4 x 2 x 1 Meter. Damit eröffnet voxeljet den Anwendern ungeahnte Möglichkeiten. Das riesige Baufeld erlaubt einerseits die schnelle Herstellung extrem großer Einzelformen, lässt sich aber auch flexibel für die wirtschaftliche Produktion von Kleinserien nutzen.
Die Maschine arbeitet im Vergleich zu den Standarddruckern von voxeljet mit einer über 300 Prozent höheren Baugeschwindigkeit bei gleicher Auflösung und Präzision. Möglich wird diese Performance durch den Einsatz eines besonders breiten Druckkopfes. Den Nutzen hat der Anwender, der von den resultierenden Zeit- und Kosteneinsparungen profitiert. Der Systemaufbau mit Bauplattformen, die abwechselnd in die Prozessstation gefahren werden, ermöglicht ein permanentes Bauen im Drei-Schicht-Betrieb.

(Bild: Anwendungsbeispiele der VX4000)

Designermöbel aus dem 3D-Drucker
Welche Möglichkeiten und gestalterischen Freiheiten die 3D-Drucktechnologie heute bietet, zeigt sich exemplarisch bei der Herstellung von Designermöbeln in geringen Stückzahlen. Mit diesem wegweisenden Verfahren lassen sich spektakuläre Designs unter wirtschaftlichen Herstellkosten realisieren, wie das Beispiel des Stuhls Batoidea unterstreicht.

(Bild: Lackierter Designerstuhl Batoidea)

Batoidea, zu Deutsch Rochen, ist der Name eines Designerstuhl des belgischen Stardesigners Peter Donders. Das Design erinnert tatsächlich an einen elegant dahin schwebenden Rochen, visualisiert Leichtigkeit und Luftigkeit und ist dabei von beeindruckender Eleganz. Ein Stuhl aus Aluminiumguss, der mit Konventionen bricht und dessen Herstellung ohne die 3D-

Drucktechnologie zumindest unter wirtschaftlichen Aspekten kaum möglich gewesen wäre.
Peter Donders gelang es, seine unkonventionellen Ideen mit dem bekannten Modellierprogramm Rhino3D auf dem Computer umzusetzen. Der große Vorteil der fortschrittlichen Arbeitsweise: Der für den 3D-Druck benötigte CAD-Datensatz lag mit Abschluss der Arbeit am Computer automatisch vor.
Für die Herstellung des großzügig dimensionierten Stuhls mit seinem komplexen Rochendesign waren insgesamt fünf Sandformen erforderlich, die allesamt im Dienstleistungszentrum bei voxeljet in Augsburg entstanden.

(Bild: Sandform des Designerstuhls Batoidea)

Die größte Einzelform hatte Dimensionen von 1.105 x 713 x 382 Millimetern, was die Hochleistungsdrucker dort aber spielerisch bewältigen. Der Herstellprozess des Stuhls stellte hohe Anforderungen an den 3D-Druck und an den Abguss, da es sich um ein sehr dünnwandiges Aluminiumguss-Konstrukt handelt, das anschließend noch bis hin zur Finishlackierung weiterbearbeitet wird.

(Bild: Abguss des Designerstuhls)

„Für uns als Pioniere der 3D-Drucktechnologie ist es schön zu sehen, wie sich dieses wegweisende Verfahren in immer mehr und mehr Industriebereichen etabliert. Dabei sind den Anwendungsmöglichkeiten anscheinend keine Grenzen gesetzt. Die Kreativität unserer Kunden überrascht uns zuweilen selbst. Vom exklusiven Geburtstagsgeschenk und rekonstruierten Tempelmodell über komplette Fahrzeugmodelle und Bauteile für den Rennsport bis hin zu Designermöbeln und Architekturmodellen – es finden sich täglich neue Anwendungsfälle für den 3D-Druck“, so Dr. Ingo Ederer.

(c) Text & Bilder: Voxeljet