Innovative Technologien

3D-Druck: Fluch oder Segen für die Gießereibranche?

Exklusiv
GP 05/2018

Möglichkeiten des 3D-Drucks In der Gießereibranche werden derzeit viele Themen sehr kontrovers diskutiert. Neben der Energie- und Umweltpolitik und der voranschreitenden Elektromobilität rückt auch der 3D-Druck zunehmend in den Fokus der Diskussion. Hier wird vor  allem die direkte Herstellung von Metallteilenmit rohgussähnlichen Eigenschaften durch Strahlschmelzen als potenzielle Bedrohung des angestammten Geschäftes gesehen. Dabei bietet der 3D-Druck aber auch die Möglichkeit zur Herstellung von Formen und Kernen mit innovativen Formstoffen wie den phenolischen und anorganischen Bindern. Der Vortrag beleuchtet den Status und die Entwicklung von direkter und indirekter Formgebung. Zudem berichtet ein Anwender aus der Praxis über seine Erfahrungen mitgedruckten Formen und Kernen. 3D-Druck: Turbo für Gussprozesse aller Art Die 3D-Drucktechnologie vollzieht rasante Entwicklungssprünge. Ob Sandformen für den Metallguss oder Kunststoff-Ausschmelzmodelle für das Feingießen – Gießereien profitieren in beiden Fällen von den zahlreichen Vorteilen der additiven 3D-Druckverfahren.   Sandgussformen und -kerne aus dem 3D-Drucker gelten für viele Gießereibetriebe bereits seit vielen Jahren als Standard. Diese Technologie ist im Bereich Eisen- und Metallguss etabliert und kommt überall dort zum Einsatz, wo sie ihre Vorteile ausspielen kann. Das ist noch immer zumeist im Prototypen- und Kleinserien bereich– auch wenn sich die Grenzen hier aufgrund der permanent steigenden Leistungsfähigkeit der 3D-Drucksysteme mehr und mehr zu immer größeren Stückzahlen hin verschieben. Aufgrund der nicht vorhandenen Werkzeugkosten ist der 3D-Druck bei einer Gesamtkosten betrachtung bis zu einer bestimmten Losgröße stets günstiger als die konventionelle Vorgehensweise. Je komplexer die Bauteilgeometrie und je kleiner die Losgröße, desto größer ist der Kostenvorteil der voxeljet-Technologie. Gerade bei komplexen Geometrien ist der 3D-Druck selbst bei Losgrößen von mehreren Hundert die wirtschaftlichste Alternative.  Gedruckte Sandformen für den Metallguss 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 selbstaufwändige Sandformen meist über Nacht oder in wenigen Tagen drucken. Die Formen entstehen ohne teure Formeinrichtung vollautomatisch rein nach CAD Daten im so genannten Schichtbauverfahren durch den wiederholten Auftrag von 300 Mikrometer dicken Quarzsandschichten, die über den Druckkopf der Anlage selektiv mit einen Binder verklebt werden. Nach dem Druckprozess muss die Form nur noch entpackt, also von überschüssigen Sand befreit werden – fertig. Da die Sandformen direkt nach CAD Daten entstehen, setzen sie Maßstäbe in puncto Detailreichtum und Präzision. Neben der verkürzten Herstellungszeit ist auch die Gestaltungsfreiheit weit weniger eingeschränkt als bei konventioneller Fertigung. Konstruktionen können struktur gerecht erfolgen, ohne auf Entformungsschrägen, Trennlinien oder Hinterschnitte achten zu müssen. Selbst im Erprobungsstadium geänderte Formen können ohne zeitintensive Änderung von Werkzeugen sofort analog der neuen CAD-Daten ausgedruckt werden. Und Angusssysteme können individuell an Parameter, wie z. B. den Gießdruck, angepasst werden, sodass Turbulenzen gemieden und Qualität gesteigert werden. Kombination aus 3D-gedruckten Kernen und klassischem Formanbau Innovative Gießereien setzen heute in geeigneten Fällen auch auf eine Kombination aus 3D-gedruckten Kernen und konventionell hergestellten Formen. Diese Vorgehensweise bietet sich unter anderem bei der Herstellung komplizierter Kerne mit Hinterschneidungen an, wie sie beispielsweise für Laufräder benötigt werden. Die Kerne lassen sich im 3D-Printer drucken und anschließend in die konventionelle Form integrieren. Die Vorteile liegen nicht nur in der Reduzierung der Teileanzahl und im beträchtlich minimierten Aufwand für den Formenbau, da gerade die zeitaufwändige, konventionelle Herstellung und Montage der einzelnen Kerne entfällt, auch die anschließende maschinelle Nacharbeit fällt geringer aus. Eine weitere interessante Alternative,die erfahrene Druckgießer immer öfter wählen, ist die parallele Herstellung derzeit aufwändigen Formwerkzeuge und dem 3D-Druck der Sandformen. Da die gedruckten Sandformen sofort zur Verfügung stehen, können erste Teile zu Testzwecken abgegossen werden, um Optimierungen an den im Bau befindlichen Werkzeugen vorzunehmen. Diese Variante ist in vielen Fällen schneller und kostengünstiger als der rein klassische Formenbau. In puncto Stabilität und Festigkeit der Formen liegen 3D-Druck und klassischer Formenbau auf gleichem Niveau. Die im Schichtbauprozess erzielbare Biegefestigkeit liegt mit einstellbaren Werten zwischen 220 und 380 N/cm2 im Bereich der Festigkeit konventionell gefertigter Kerne. Umweltfreundlich und sparsam: Phenolharzbasierter 3D-Druck Ein neu entwickelter Sandprozess, welcher eine erste Alternative zum ODB Prozess darstellt, ist der so genannte Phenol-Direct-Binding, kurz PDB-Prozess. Wie auch bei dem ODB-Prozess, wird anfangs eine dünne Sandschicht aufgetragen. Nach dem schichtweisen Auftrag der Sandschicht wird über den Druckkopf, selektiv das phenolbasierte Bindematerial auf den Sand aufgetragen. Als finaler Schritt in der Prozesskette fährt eine Infrarot-Lampe über das Baufeld, um den Sand zu erhitzen und dadurch das Bindematerial aushärten zu lassen. Diese Prozesskette wiederholt sich so lange, bis das Formteil vollständig gedruckt ist. Im direkten Vergleich zeigt der neue PDB-Prozess viele Vorteile gegenüber dem bisher bewährten ODB-Prozess. Besonders in der Automobilindustrie, werden Sandkerne in ihrer Beschaffenheit immer komplexer. Beispiele hierfür sind Wassermantelkerne, Hydraulikkomponenten oder aufwendige Abgaskrümmer-Kerne. Gerade hier zahlt sich die erhöhte Biegefestigkeit der gedruckten PDB-Teile (250–500 N/cm²-Festigkeit abhängig von der Orientierung im Bauraum) gegenüber denen der ODB Teile (230–330 N/cm²-Festigkeit abhängig von der Orientierung im Bauraum) aus. Zudem ist der neue PDB-Prozess umweltfreundlicher, da der überschüssige Sand nahezu 100 % recycelt und wiederverwendet werden kann und das Bindematerial verringerte Schadstoffgehalte aufweist. Beispiele aus der Praxis: 3D-Druck von Sandgussformen für Turbolader Fahrzeugtechnikhersteller Lütgemeier erhöht Produktivität mit 3D-Drucksystem VX 1000 PDB von voxeljet. Um Sandgussformen für den Metallguss schneller und kostengünstiger herstellen zu können, setzt der Fahrzeugtechnikhersteller Lütgemeier auf den VX 1000 PDB von voxeljet. Das 3,5 Tonnen schwere 3D-Drucksystem bringt nicht nur Tempo in die Herstellung von Entwicklungsbauteilen, die unter anderem in Rennmotoren zum Einsatz kommen. Es ermöglicht Konstrukteuren auch neue Gestaltungsspielräume. Rennmotoren sind Entwicklungen jenseits der Serienfertigung. Sie bringen hunderte PS auf die Straße, beschleunigen die Fahrzeuge in wenigen Sekunden von 0 auf 100 km/h. Doch das schaffen sie nur, weil unter der Motorhaube ein Ensemble aus Sonderbauteilen arbeitet – unter anderem speziell angepasste Getriebe, Turbolader, Ölpumpen und Drosselkappen. Sie entstehen bei Herstellern wie der Lütgemeier GmbH aus Steinhagen in Westfalen. Die Firma fertigt seit über dreißig Jahren Fahrzeug- und Motorenteile für namhafte Automobilhersteller und deren Motorsportabteilungen.

Trends und Entwicklungen im Bereich der Entkerntechnologie - Dipl.-Ing. H. Sehrschön (V), Dipl.-Ing. M. Templin — Fill Gesellschaft m.b.H., Gurten

Hohe Anforderungen an Entkernprozess

Mit der Umstellung von Formstoffen auf Anorganik ergaben sich neue Herausforderungen für den Entkernprozess, die mit neuen Hämmern und hochdynamischen Schwingentkernmaschinen effizient gelöst werden können. Die neuen komplexen Gussbauteile, speziell für die E-Mobilität mit immer fragileren Kernstrukturen, stellen für den Entkernprozess neue Anforderungen dar. Zudem wird zur Prozesskettenverkürzung eine Entkernung bei hohen Temperaturen angestrebt. Zur Beherrschung dieser Anforderungen ist ein Zusammenspiel aus Anlagenkonzeption und Bauteilgestaltung notwendig.

Im Rahmen des Vortrags wird ein neues Maschinenkonzept in Kombination mit einer begleitenden Entkernsimulation vorgestellt. Der Simulationsansatz beruht auf der geschickten Kombination von MKS und FEM. Damit können Endanwender den Produktionsprozess nicht nur optimieren, sondern auch neue Gussteildesigns vorab auf ihre Entkernbarkeit prüfen. Dies stellt eine wesentliche Bereicherung für den kompletten Engineeringprozes szur Auslegung von filigranen kernintensiven Aluminiumgussbauteilen dar.

Entkerntechnologien

Fill ist ein international tätiger Maschinen-und Anlagenbauer und verfügt überein Portfolio an Entkernmaschinen und Hammerstationen zum rückstandsfreien Entkernen von Aluminium und Eisengußteile. Um den neuen Herausforderungen in der Gießerei zu begegnen, entwickelt Fill ständig neue Maschinen und Prozesstechnik gemeinsam mit seinen Kunden und hat sich als starker Partner in der Gießerei etabliert.

Für die effiziente rückstandsfreie Entkernung hat Fill eine Reihe von Hammerstationen zum Kernbrechen entwickelt. Über gezielten Energieeintrag auf ausgezeichneten Flächen des Gussbauteils kann in Abstimmung der Frequenz und Amplitude ein gezielter Kernbruch erfolgen.

In einer anschließenden Schwingentkernung wird der Kernsand gelockert und über Schwerkraft durch Drehen des Gussbauteils entsandet. Je nach Bauteilgewicht und Komplexität hat Fill eine Reihe von Schingentkernmaschinen entwickelt. Swingmaster und Twistmaster sind etablierte Maschinen in der Gießereiindustrie.

Digitalisierung des Entkernprozesses

Durch eine langjährige Expertise in der Entkernung und der Durchführung von unzähligen Entkernversuchen hat Fill nun einen neuen Weg in der Entkerntechnologie eingeschlagen. So wurde in  Kooperation mit  dem Fraunhofer Institut IGCV unter der wissenschaftlichen Leitung von Prof. Wolfram Volk ein digitaler Zwilling für die Entkernung entwickelt.

Am Anfang stand die Idee des „virtuellen Kernbruchs“ – ein Crashtest als digitaler Mock-up. Durch den Aufbau einesg eeigneten Simulationsmodells, das eine Kombination aus Mehrkörpersimulation und Finite Elementmethode ist, gelang der Nachweis der Möglichkeit des virtuellen Tests der Entkernbarkeit durch Untersuchung des Volumens an Kernsand, welches kritischen Druckeigenspannungen durch den Entkernprozess unterliegt.

Mit der Prozesssimulation ist Fill in der Lage komplexere Gussteilgeometrien ohne Versuchsteile auf ihre Entkernbarkeit zu prüfen.

Darüberhinaus wird mit der Prozesssimulation die Optimierung und damit die Effizienzsteigerung des Entkernprozesses verbessert.

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