„Wo liegen die geometrischen Grenzen des Metallgusses? Wann sollte ein Teil Ihrer Meinung nach direkt gedruckt und nicht gegossen werden?“ fragen wir das Team von Aristo Cast, das seit mehr als zehn Jahren zu unseren Kunden zählt. Jack Ziemba, Gründer und CEO von Aristo Cast lacht ins Telefon und antwortet: "So etwas würden wir nie sagen. Es gibt fast keine Rolle, die nicht besetzt werden kann."
Eine Aussage, die in Zeiten mutig klingt, in denen Unternehmen wie Desktop Metal, die sich auf die additive Fertigung von Metallteilen spezialisiert haben, in den letzten Jahren Hunderte Millionen Dollar an Investitionen aufgebracht haben. Aber es ist alles andere als eine Unwahrheit. Aber fangen wir von vorne an:
1995 beschließt Jack Ziemba, seine Gießerei D&N Castings umzubenennen. Er nennt es "Aristo Cast". Aristo, griechisch für „am besten“ und Cast erklärt sich selbst. Zahlreiche Auszeichnungen und ein Portfolio namhafter Kunden aus den unterschiedlichsten Branchen bestätigen schnell die treffsichere Namensgebung. Die Gießerei ist vor allem auf seltene Legierungen und Leichtmetalle spezialisiert. Aristo Cast ist unter anderem eine von nur sieben Investmentgießereien weltweit, die Magnesium verarbeiten können. Um dies zu erreichen, setzen sie insbesondere auf moderne und innovative Fertigungstechnologien für Modelle und Formen.
Bereits 1998 integrierte Aristo Cast den 3D-Druck von Wachsmodellen in die Produktion und eröffnete anschließend 2003 ein Advanced Technology Center, ausgestattet mit modernsten additiven Fertigungsmaschinen, einer Magnesium- und Aluminiumgussanlage, einem Werkzeugbau und 5-Achs-CNC-Fräsen. 2011 beginnt die Investment Foundry auch mit 3D-gedruckten PMMA-Modellen von voxeljet zu arbeiten und erweitert ihr Technologiezentrum um eine VX1000.
Mehrere Auszeichnungen der American Investment Casting Associations belegen die Wirksamkeit und den Erfolg der Aristo Cast-Strategie, die höchsten Wert auf Qualität und Präzision legt.
Keine leeren Worte Die direkte additive Fertigung von Metallen gewinnt seit Jahren Marktanteile und einige Anwendungsfälle werfen auf den ersten Blick Fragen nach der Zukunft des Feingusses auf. Wie also lässt sich Jack Ziembas Aussage legitimieren? Wie sieht die Zukunft des Feingusses aus und wo liegen die Grenzen und Unterschiede zwischen gedruckten Gussteilen und DMLS-Technologien? Dabei sind insbesondere fünf Kriterien zu berücksichtigen:
1. Geometrie:
Im 3D-Druck spielt Geometrie über alle Technologien hinweg kaum noch eine Rolle. Das schichtweise und werkzeuglose Verfahren macht es möglich. Aristo Cast verwendet 3D-gedruckte PMMA-Modelle für jede Art von Bauteilgeometrie. Auch bei Wandstärken ab 0,5 mm. Im Vergleich zu DMLS trumpft der 3D-Druck von PMMA-Modellen vor allem mit der realisierbaren Größe der Bauteile auf. Mit einem Bauvolumen von 1000 x 600 x 500 mm bietet der VX1000 ausreichend Platz für großformatige Einzelteile oder eine Vielzahl kleinerer Bauteile. Sie ermöglicht Aristo Cast die Herstellung von Modellen für Gussteile mit einem Gewicht von wenigen Gramm bis zu 15 kg. Die einzige geometrische Herausforderung, die bei sehr komplexen Bauteilen von Zeit zu Zeit auftreten kann, besteht darin, die gedruckten Modelle mit einer Keramik zu beschichten und zu einer Gussschale auszubrennen. Aber auch für diese seltenen Sonderfälle hat das Team von Aristo Cast eine Lösung: Statt eines Positivmodells aus Kunststoff druckt die Gießerei eine Negativform aus Keramik.
2. Legierungen:
Aristo Cast und Gießereien im Allgemeinen sind in der Auswahl der Legierungen (u.a. Aluminium, Magnesium, Kobalt-, Kupfer- und Nickelbasislegierungen, Zink und verschiedene Stähle) nicht eingeschränkt. Lediglich Legierungen, die im Vakuum gegossen werden müssen, können von Aristo Cast derzeit nicht hergestellt werden. DMLS-Systeme haben dagegen nur eine begrenzte Auswahl an verarbeitbaren Metallen. So können mit den derzeit verfügbaren Anlagen hauptsächlich Aluminium- und Stahllegierungen verarbeitet werden. Die Möglichkeit, Magnesium direkt additiv zu verarbeiten, ist aufgrund der starken Reaktivität des Leichtmetalls noch in weiter Ferne.
3. Lieferzeiten:
Lieferzeiten werden oft als einer der größten Vorteile von DMLS genannt, da das System bereits das fertige Bauteil druckt. Was oft übersehen wird, ist der Sinter- oder HIP-Prozess (heiß isostatisches Pressen), der anschließend durchgeführt werden muss, um die Teile für den Gebrauch vorzubereiten. Durch den 3D-Druck von PMMA-Modellen ist Aristo Cast aber auch in der Lage, Gussteile innerhalb von 72 Stunden zu liefern.
4. Kosten:
Für ein Bauteil mit einem Gewicht von etwa 1 kg benötigt ein DMLS-System etwa 100 kg Pulver. Bei Gussteilen wird nur das geschmolzen, was benötigt wird. Dank moderner Simulationssoftware wird sichergestellt, dass genau das Nötigste eingeschmolzen wird. Der Vergleich der Materialkosten wirft jedoch aufgrund der aufwendigen Herstellung von Metallpulver ein noch dunkleres Licht, die Kosten für Aluminiumpulver liegen bei rund 600€ pro Kilogramm. Sonderstahllegierungen können schnell 1.300 Euro kosten. Bei Gussteilen liegen die Kosten hingegen bei etwa 6,50€ für Aluminium und 32€ für ein Kilogramm Stahl. Gedruckte Gussteile sind nach den Erfahrungen von Aristo Cast in 50-75% der Fälle günstiger als DMLS-Verfahren.
5. Zertifizierung:
In der Praxis werden sowohl Feingussteile als auch DMLS-Teile werden häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Gießen hat hier einen ganz entscheidenden Vorteil. Zertifizierung. Casting ist seit Jahrzehnten für den Einsatz in luftiger Höhe zertifiziert. Direkt in Metall gedruckte Teile müssen jedoch oft langwierige und kostspielige Zertifizierungsprozesse durchlaufen, um für den realen Einsatz zugelassen zu werden. Daraus resultieren wiederum Zeit- und Kostenvorteile für das Gießen.
Ein Gramm kann Tausende von Dollar sparen
Gerade in der Luft- und Raumfahrtindustrie, einer der Schlüsselindustrien, die Aristo Cast seit über einem Jahrzehnt beliefert, kommen die Vorteile des 3D-Drucks in Kombination mit dem Feinguss zum Tragen. Bei vielen Bestellungen handelt es sich um sogenannte „Legacy Parts“, also Ersatzteile, für die es altersbedingt keine Baupläne mehr gibt. Diese können bei Aristo Cast mit moderner Scantechnologie digitalisiert werden. Der digitale Datensatz kann dann entweder direkt ausgedruckt und gegossen werden, oder das Bauteil hinsichtlich Funktionalität oder Gewicht optimiert werden.
Ein neues, beeindruckendes Beispiel der Arbeit Aristo Cast und des Softwareunternehmens Autodesk wurde bereits 2017 in Form einer Fallstudie1 veröffentlicht. Mittels topologischer Optimierung entwarf Autodesk einen Prototyp für einen Flugzeugsitzrahmen mit einer außergewöhnlichen bionischen Struktur. Aufgrund der enormen Komplexität und Größe des Rahmens kamen weder konventionelle noch direkte Metall-3D-Drucktechnologien für die Herstellung in Frage. Also wandte sich Autodesk an Aristo Cast, das ein PMMA-Modell des Rahmens auf den VX1000 druckte und in Magnesium gegossen hat. Die Ergebnisse sprechen für sich: Das Sitzgestell ist gut 30 % leichter als die aktuell verbauten Versionen. Die ausschließliche Ausstattung eines A380-Flugzeugs mit diesen Rahmen führt zu einer Gesamtgewichtseinsparung, die sich über die 20-jährige Lebensdauer einer Flotte von 100 Flugzeugen in über 220 Millionen Dollar Einsparung durch den geringeren Kerosinverbrauch niederschlägt
Auch die Herstellung selbst ist durch den Einsatz von 3D-Druck und Feinguss deutlich günstiger. Über Printed Casting kostete die Produktion rund 4000 US-Dollar. Per DMLS hätte das Sitzgestell gut 12.000 US-Dollar gekostet. Zudem hätte kein derzeit verfügbares DMLS-System das Bauteil in einem Stück fertigen können, geschweige denn durch die Fertigung des Rahmens aus Magnesium weitere 56 % Masseneinsparung erzielen können.
Ein Weckruf an die nächsten Generationen
„Während gedruckte Gussteile bereits heute in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt werden, wird das Potenzial von jungen Ingenieuren noch weitgehend unterschätzt“, erklärt Jack Ziemba und fügt selbstbewusst hinzu: „Die Nachfrage nach immer komplexer werdenden Bauteilen steigt kontinuierlich und Kunden kommen oft zu uns, denn Sie haben versucht, ein Bauteil direkt in Metall zu drucken, nur um festzustellen, dass dies nicht funktioniert und sie dadurch wertvolle Zeit verloren haben. DMLS-Geräte werden zwar immer besser, aber das bedeutet nicht, dass sie jemals das Feingussverfahren ersetzen werden. DMLS ist eine schöne ergänzende Fertigungstechnologie, aber nur in Bezug auf Kosten, Vorlaufzeiten und Zertifizierung wird es noch eine ganze Weile dauern, bis DMLS unser Niveau an Feinguss erreicht. Wenn überhaupt."
