3D-Druck von Sandformen verschafft Gießereien einen Vorsprung

Technologie mit vielen Vorteilen
Sandgussformen aus dem 3D-Drucker bringen Gießereien zahlreiche Vorteile – von kürzeren Durchlaufzeiten über geringere Nacharbeit bis hin zu einer besseren Oberflächenqualität der Rohgussteile. Die ersten Erfahrungen, die der Pumpenhersteller Nijhuis mit der Fertigung von Sandformen im 3D-Verfahren des Augsburger Unternehmens voxeljet gemacht hat, lassen aufhorchen.
Der niederländische Pumpenhersteller Nijhuis 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 abgeschlossen. voxeljet betreibt eines der führenden Dienstleistungscenter für die on demand-Fertigung von Sandformen für den Metallguss und verfügt mit der VX4000 über einen Hochleistungsdrucker, der Sandformen mit einer Größe von bis zu 4 x 2 x 1 Meter drucken kann. „Gerade ein Unternehmen wie unseres, in dem viele Prototypen und Kleinserien gefertigt werden, profitiert in punkto Zeit und Qualität enorm von den Möglichkeiten des 3D-Drucks “, so Nijhuis Entwicklungsingenieur Luke Vrielink.
Die konventionelle Herstellung der Prototypen erfordert drei bis vier Monate von der Zeichnung bis zum bearbeiteten Gussteil. In der Regel gehen schon für die Herstellung des Holzmodells zwei bis drei Monate ins Land und dann noch weitere Tage, um die Sandform zu erstellen. Ganz anders beim 3D-Druck: Hier ist die Durchlaufzeit signifikant kürzer. Sobald der CAD-Entwurf fertig ist, werden die Daten per e-Mail an die Auftragsabwicklung von voxeljet geschickt. Ausgehend von diesen 3D-CAD-Daten generiert einer der Hochleistungsdrucker im voxeljet-Dienstleistungszentrum die Formen werkzeuglos und vollautomatisch im Schichtbauverfahren. Der aufwändige und teure Umweg über die sonst notwendige Formeinrichtung entfällt. Selbst komplexe Geometrien mit Hinterschneidungen lassen sich detailgetreu und hochpräzise generieren. Je nach Größe des Werkstücks dauert das Drucken ein bis zwei Tage.

Prototypen in Rekordzeit
Diese kurze Produktionszeit ist vor allem dann wichtig, wenn es sich um den Prototyp einer Pumpe handelt. Da die Pumpenfabrik Nijhuis stets Pumpen nach Maß entwickelt und baut, ist dies häufig der Fall. Dank der Möglichkeiten des 3D-Drucks der Sandgussformen kann der Pumpenhersteller die Anzahl der auf Lager gehaltenen Gussformen reduzieren und trotzdem schneller liefern, wenn zum Beispiel ein Teil einer Pumpe an Bord eines Schiffes ausgetauscht werden muss. Jeder Tag im Dock kostet eine Menge Geld. „Dadurch, dass wir auch die großen Sandgussformen zu annehmbaren Kosten bei voxeljet drucken lassen können, sind wir in der Lage, schnell zu liefern, auch ohne das Modell vorrätig zu haben“, so Luke Vrielink.

Auch in der höheren Qualität sieht der Entwicklungsingenieur einen signifikanten Vorteil. Der 3D-Druck von Sandformen entspricht 1:1 dem Computermodell, während sich bei der handwerklichen Herstellung stets kleine Abweichungen ergeben können. Je komplizierter die Form des Pumpenrads ist, desto größer sind die Einsparungen durch den 3D-Druck im Herstellungsprozess. Ein gutes Beispiel ist das Schraubenkanalrad, ein konisches Laufrad, das exakt mit dem Modell übereinstimmen muss. „Die Form dieses Laufrads muss präzise sein, um Unwuchten zu vermeiden. Trotzdem müssen wir die Gussteile anschließend nachschleifen, um eine vorhandene Unwucht zu beseitigen“, so Vrielink. Nicht selten muss ein Gussteil mehr als einen Tag lang in der Zerspanungsabteilung der Pumpenfabrik Nijhuis geschliffen werden. Bei der 3D-Technologie wird während der Entwurfsphase im Computer ausgewuchtet. Das Gussteil ist viel genauer und bedarf einer geringeren Nacharbeit.

Feiner Quarzsand für glatte Oberflächen
Ein weiterer Vorteil der Drucktechnik von voxeljet besteht in der Verwendung von feinem Quarzsand. Im Vergleich zu handgefertigten Sandformen haben die Gussteile eine glattere Oberfläche. Dies schlägt sich in einem niedrigeren Energieverbrauch der Pumpe nieder. „Außerdem wird für jedes Laufrad eine entsprechende Sandform gedruckt, während wir anderenfalls Standardmodelle verwenden und ein größeres Übermaß gießen. Das überschüssige Gussmaterial muss maschinell entfernt werden, das kostet Zeit“, weiß Luke Vrielink. Bei Gussteilen aus harten Werkstoffen kann eine noch größere Nachbearbeitungszeit erforderlich sein. Anders beim 3D-Verfahren: Hier ist der Aufwand für die spanende Nachbearbeitung der Teile durch das kleinere Aufmaß auf ein Minimum begrenzt.
In der Entwicklungsabteilung haben Luke Vrielink und seine Kollegen schon länger nach einer 3D-Drucktechnik gesucht. Bis vor kurzem war diese aber unbezahlbar. In jüngster Vergangenheit ist die Entwicklung dieser Technologie nicht zuletzt durch innovative Verfahren von voxeljet erheblich vorangekommen, gleichzeitig sind die Kosten gesunken. „Je komplexer das Teil ist, desto größer sind die Vorteile der 3D-Druckechnologie. Besonders bei Prototypen, Einzelstücken oder Kleinserien“, meint Vrielink. Seiner Ansicht nach wird das 3D-Druckverfahren die konventionellen Herstellungsmethoden stark verdrängen.
Bei der Pumpenfabrik Nijhuis werden die mit den Sandgussformen von voxeljet hergestellten Gussteile in die Pumpe eingebaut und auf einem eigenen Prüfstand einer eingehenden Prüfung unterzogen. Luke Vrielink ist von der Qualität überzeugt. Mit dieser Technologie können europäische Gießereien ihre Wettbewerbsfähigkeit deutlich verbessern.

Pluspunkte auf einen Blick:
• kurze Durchlaufzeit (wenige Tage)
• weniger Nacharbeit, da die Gussteile genauer sind
• 1:1 Übereinstimmung der Sandform mit dem CAD-Entwurf
• keine Lagerung und Wartung von Modellen
• Kosteneinsparung bei Prototypen, Einzelstücken und Kleinserien

(c)Text & Bild: Voxeljet.com