Voxeljet AG: 3D-Druck ermöglicht wirtschaftlichen Feinguss

Komplexe Bauteile waren im Feingussverfahren in kleinen Stückzahlen  bislang nur mit beträchtlichem Zeit- und Kostenaufwand zu fertigen. Dass es heute auch anders geht, beweist die Schmolz + Bickenbach Guss Gruppe: Hier favorisiert man bei der Herstellung verlorener Modelle die 3D-Drucktechnologie von voxeljet und setzt damit Benchmark hinsichtlich Kosteneffizienz und Produktionszeit.

Ob in der Automobilindustrie oder im Maschinenbau die Herstellung komplexer Bauteile, darunter Laufräder, Getriebegehäuse und dergleichen in Losgröße 1 oder in Kleinserien sollte schnell und wirtschaftlich vonstatten gehen. Das Feingussverfahren in der klassischen Variante zeigt hier Schwächen. Dazu Thomas Peipp, Leiter Feinguss des Schmolz+Bickenbach Guss GmbH Standortes Ennepetal: „Das Problem liegt in der aufwendigen Herstellung der erforderlichen Wachsmodelle. Dafür sind teuere Spritzwerkzeuge und Wachspressen erforderlich. Die Werkzeugkosten schlagen gerade bei Kleinstserien heftig zu Buche und führen in der Folge zu einem sehr hohen Stückpreis.“

Abhilfe schafft die voxeljet 3D-Drucktechnologie. Auf modernen 3D-Druckern des Augsburger Anbieters lassen sich Kunststoffmodelle schnell, präzise und kostengünstig herstellen. Diese PMMA-Modelle können Wachsmodelle hundertprozentig substituieren. Der Knackpunkt dabei: Die Herstellung der Kunststoffmodelle im 3D-Druck ist denkbar einfach, präzise und schnell. Werkzeuge sind dafür nicht erforderlich, der Digitaldruck basiert auf den CAD-Daten des Bauteils. Der 3D-Drucker übernimmt den Aufbau des Modells anhand der angepassten Druckdaten im Schichtbauverfahren.

In Rekordzeit zum verlorenen Modell
Auf den neuesten voxeljet-Druckern gelingt die Herstellung eines Kunststoffmodells für ein Francis-Laufrad mit einem Durchmesser von 500 mm in weniger als 24 Stunden. Als Material kommt PMMA zum Einsatz, das bereits bei 73° C zu erweichen beginnt und bei Temperaturen jenseits der 700° C rückstandsfrei verbrennt. Damit eignen sich die Bauteile hervorragend als Ausschmelzmodelle für den Feinguss. Bei Schmolz + Bickenbach verfügt man bereits seit einigen Jahren über fundierte Erfahrungen mit dem 3D-Druck von Kunststoffmodellen: „Wir haben die Modelle in der Vergangenheit im voxeljet-Dienstleistungszentrum drucken lassen. Die Vorteile der 3D-Drucktechnologie und ein ständig steigendes Auftragsvolumen haben uns im Jahr 2013 zur Investition in einen eigenen voxeljet-Drucker veranlasst. Mit unserer VX1000 können wir in unserer Feingießerei Bauteile aus PMMA Material in dem zur Verfügung stehenden Bauraum von  1060 x 600 x 500 mm drucken. und daraus Gussteile bis zu einem maximalen Stückgewicht von 70 kg herstellen.
Damit können wir unsere Kunden noch schneller und effizienter unterstützen“, so Thomas Peipp.

Die Modelle entstehen im Schichtbauverfahren: Dabei wird das Kunststoffpulver in dünner Schicht auf eine Bauplattform ausgetragen und anschließend selektiv mit einem Lösungsmittel bedruckt. Das Lösungsmittel führt zu einer lokal begrenzten Verklebung der Partikel untereinander. Durch Auftrag und Bedrucken weiterer Schichten entsteht das gewünschte Objekt. Die unbedruckten Pulvermengen stützen die bedruckte Struktur, so dass selbst komplizierte Freiformflächen mit Hinterschneidungen ohne Stützstruktur herzustellen sind. Nach dem Druckprozess wird das fertige Modell vom Restpartikelmaterial befreit und mit Wachs infiltriert. Dadurch erhalten die Kunststoffmodelle eine geschlossene und saubere Oberfläche, was sich positiv auf die Qualität der Feingussteile auswirkt.

Kunststoffmodelle ersetzen Wachslinge
Egal ob 3D-gedrucktes Kunststoffmodell oder konventionell hergestellter Wachsling, die weitere Handhabung ist exakt identisch. Nach der Eingangskontrolle und der Montage des Angusssystems erfolgt die Aufbringung der ersten keramischen Überzüge,. Danach geht es in den Ofen. Da die Kunststoffmodelle bereits bei 73°C erweichen und dabei schrumpfen, entstehen keine Risse der Keramikschale. Erreichen die Temperaturen 700°C und mehr kommt es zur vollständigen und rückstandsfreien Ausbrennung der Formen.  Die einmalige Verwendung des Modells erklärt, warum  von verlorenen Modellen gesprochen wird.  

Bevor die glühend heißen  Stahl- oder Aluminiumlegierungen in die  Formschalen gegossen werden, sind diese noch auszublassen. Ein Auswaschen der Formen ist nicht erforderlich. Nach dem Abkühlen sind
die Formschalen ebenso wie die Gieß- und Speisesysteme zu entfernen, scharfe Kanten zu entgraten sowie eventuell unerwünschte Oberflächenfehler zu beseitigen. Abschließend stehen zerstörungsfreie Prüfungen und Dimensionskontrollen entsprechend den Kundenspezifikationen auf dem Programm. „Ganz gleich ob Prototyp, Einzelstück oder Kleinserie die 3D-Drucktechnologie ermöglicht die einfache und kostengünstige Herstellung von hochkomplexen Design- und Feingussmodelle in kürzester Zeit. Ein Riesenvorteil für uns Feingießer und vor allem für unsere Kunden“, so Thomas Peipp abschließend.

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