29.06.21 – 3D-Sanddruck
Auf Sand bauen
Das britische Unternehmen Brooks Crownhill (BCP) setzt bei der Herstellung von Gehäusen für E-Motoren auf 3D-Drucker von Voxeljet. Auch Prototypen stellt BCP mithilfe des 3D-Sandrucks her. Der Vorteil: Es lassen sich hochkomplexe Teile konstruieren, ohne kostspielige Werkzeuge vorhalten zu müssen.
Dieser Kern für ein elektrisches Motorgehäuse wurde für eine effizientere Kühlung des Motors optimiert und mit einem speziellen keramischen Sand gedruckt, der beim Metallguss zuverlässig für enge Toleranzen sorgt. © Voxeljet
3D-gedruckte Kerne können mit konventionell gefertigten Formen kombiniert werden, um ein hohes Maß an Kosteneffizienz zu gewährleisten. © Voxeljet
Formen aus Sand sind relativ kostengünstig und für den Einsatz in Stahl- und Aluminiumgießereien hinreichend feuerfest. Und so erfreut sich der Guss mit Sandformen vor allem in der Automobilindustrie nach wie vor großer Beliebtheit. Zugleich hat der industrielle 3D-Druck dem Gussverfahren völlig neue Möglichkeiten eröffnet. Denn mit Anlagen wie den Binder-Jetting-Systemen von Voxeljet lassen sich auch hochkomplexe Formen und Kerne fertigen. Immerhin werden über 60 % aller Metallgussteile im Sandgussverfahren hergestellt.
3D-Sandruck ist unersetzlich
„Rapid Casting betreiben wir schon seit geraumer Zeit“, geht Lee Henderson, Sales Director bei Brooks Crownhill, auf die Prototypenfertigung ein. „Die Vorteile liegen auf der Hand: Der Prozess ist schnell, kostengünstig und gibt den Konstrukteuren große kreative Freiheiten. Das ist wichtig, um auch etablierte Bauteile neu denken und möglichst viel Material sparen zu können, beispielsweise durch Topologieoptimierungen.“
BCP stellt für die Kunden aus dem Automotivebereich größtenteils Motorenkomponenten her, neuerdings aber auch Gehäusebauteile für Elektromotoren. „Wir müssen unsere Teile immer leichter werden lassen. Und das bei gleichbleibender oder gesteigerter Belastbarkeit sowie längerer Lebensdauer“, sagt Henderson.
Das Lightweight-Design ist heute einer der wichtigsten Trends bei der Auslegung. Kundendesigns werden immer weiter an die Grenzen der Herstellbarkeit getrieben: dünnere Wandabschnitte des Gussteils, engere Toleranzbänder für die Positionsgenauigkeit. „Der 3D-Sanddruck ist hier unersetzlich. Nicht nur, weil wir Geometrien realisieren können, die mit konventionellen Verfahren wie Fräsen oder Kernschuss nicht möglich wären. Vor allem brauchen wir schnell optimierte Prototypen, wenn wir brandneue Designs testen wollen. Diese nehmen wir dann mit spezifischen Integritätstests genau unter die Lupe, bevor wir das Go für die Serienfertigung geben“, berichtet Henderson.
Designmöglichkeiten und Machbarkeit
„3D-Druck bedeutet in der modernen Konstruktion vor allem, dass wir komplexe Innenkerne als ein Stück drucken können. Das erspart uns in der Gussvorbereitung viel Arbeit. Zugleich können wir uns darauf verlassen, dass alle Toleranzen der Wandstärke und damit der Stabilität der Kerne während der enormen Belastungen des Metallgusses eingehalten werden“, sagt Henderson. „Weitere wirtschaftliche Potenziale eröffnen sich durch das zeitsparende additive Gießen, wenn Kosten und konventionelle Montagezeit bei komplexen Core-Stack-Baugruppen linienseitig reduziert werden. Das hat direkte Auswirkungen auf das Geschäftsmodell, die laufenden Kosten und die Geschwindigkeit der Lieferkette zum Kunden.“
Allerdings seien die Vorteile der additiven Herstellung von Gussformen und -kernen noch nicht zu hundert Prozent im Bewusstsein der Konstrukteure angekommen: „3D-Printing führt leider noch ein Nischendasein. In der Gießereiindustrie wird es zwar immer mehr als vollwertiges Herstellungsverfahren für Gussformen anerkannt, allerdings bin ich mir nicht sicher, inwieweit die Vorteile bei Designern und Einkäufern überhaupt bekannt sind. Hier ließen sich noch große Konstruktions- und Kostenschätze heben.“
Herstellung und Funktionalität harmonisiert
Durch die größeren Spielräume bei der Konstruktion von 3D-Druck-Sandformen schließt sich die Kluft zwischen Design for Manufacturing und Design for Functionality. Gussexperte Henderson: „Heutzutage können Designer die Funktionalität mit Festigkeits- und Verformungsanalysen optimieren und die Designs dann direkt in den 3D-Druck geben. Das macht die Konstruktion, beispielsweise von Motorenteilen, um einiges schneller. Vor allem werden die Bauteile auch stabiler, was wiederum drastische Gewichtsreduktionen zulässt.“
Außerdem ließen sich mit dem 3D-Druck schon während der Konstruktion Gaskanäle in die Sandkerne einplanen und so die Entlüftung und Ausgasung während des Gießvorgangs sicherstellen. „Ebenso ist das Hinzufügen von strukturellen Zugstangen für eine bessere Transportfähigkeit der Teile möglich.“ Nicht zuletzt setzt BCP anwendungspezifisch auf unterschiedliche Sandsysteme. So werden etwa hochfeste und hochtemperaturbeständige Kerne verwendet, um die Stabilität und Konzentrizität der inneren Kerne während des Gießprozesses zu gewährleisten.
Voxeljet AG
Paul-Lenz-Straße 1a
86316 Friedberg
Tel.: +49 821 7483100
Brooks Crownhill Ltd.
Unit 3, 8 Macadam Way
GBR-Andover, Hampshire, SP10 3XW
Tel.: +44 1264 366500
