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Binder Jetting Schnell die Gussform wechseln

| Autor: Simone Käfer

Wenn die Automobilisten sich umstellen müssen, sind auch andere Unternehmen betroffen. Mit einer ICP-Anlage sollen Gießereien schnelle Geometrien etwa für Motoren ändern können.

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Die ICP-Anlage von Voxeljet, Loramedi und ASK Chemicals wurde auf der Gifa vorgestellt.
Die ICP-Anlage von Voxeljet, Loramedi und ASK Chemicals wurde auf der Gifa vorgestellt.
(Bild: Voxeljet)
  • Mit ICP werden hochkomplexe Sandkerne für Gießereien automatisiert mit Additiver Fertigung hergestellt.
  • Loramendi entwickelte die vollautomatische additive Kernproduktionslinie, von ASK Chemicals kommt das Zweikomponenten-Bindersystem Inotec 3D und Voxeljet liefert einen neuen 3D-Drucker.
  • ICP ist für Gießer, welche die Geometrien zum Nutzen des Kunden verändern dürfen.

Automatisierung, Industrialisierung und Serienfertigung sind Begriffe, mit denen additive Fertiger zwar gerne um sich werfen, mit denen sie aber eher weniger glänzen. Bei Voxeljet scheint es nun ernster zu werden. Der Hersteller von Binder-­Jetting-­Maschinen für die Verarbeitung von Sand und Kunststoffen hat mit Loramedi und ASK Chemicals das Projekt ICP (industrialization of core printing) umgesetzt. „Mit ICP kann eine bestimmte, anwendungsspezifische Formgeometrie für die Herstellung von Motoren- oder Antriebskomponenten über 3D-Druck aufgebaut werden“, fasst Dr. Ingo Ederer, CEO von Voxeljet, das Ziel des Projekts zusammen. „Diese Sandgussform wird in einem Binder-­Jetting-­Verfahren aus Quarzsand und Wasserglas gedruckt, um damit ein Metallteil zu gießen – und das in einer Größenordnung für die Automobil­industrie, also mindestens 200.000 Stück pro Jahr.“ Da ICP aktuell für fünf 3D-Druck-Anlagen ausgelegt ist, wären sogar 1 Mio. Teile möglich. Per Additiver Fertigung wird hier also nicht ein fertiges Bauteil aufgebaut, sondern Sandkerne für Gießereien, die automatisiert entpackt werden. Dafür hat der Maschinenbauer einen neuen 3D-Drucker entwickelt, der nach Unternehmens­angaben mehr als zehnmal schneller ist als seine bisherigen Modelle.

Schnell auf Regulierungen reagieren

Ausgangspunkt für das Projekt war der Anwenderbedarf. „Ein Kunde aus der Automobilindustrie kam auf uns zu, er suche eine Fertigungsmethode, mit der er auf unterschiedliche Geometrieanforderungen flexibel reagieren kann“, erzählt Ederer. Damit will er schneller entsprechend neuer Regulierungen für Verbrennungsmotoren produzieren können. Aber auch die Verunsicherung der gesamten Automobilindustrie, besonders im Bereich der Antriebstechnik, die kürzlich erst auf der IAA deutlich zu spüren war, fördert Investitionen in Fertigungstechniken, mit denen nicht nur Verbrennungsmotoren herstellbar sind. „Dafür bietet ICP die einzigartige Chance, sowohl Designs als auch komplette Produktpaletten in kurzer Folge digital und werkzeuglos zu ändern“, so Ederer.

Hohe Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität

Mit seinem Know-how über die Entwicklung von Komplettlösungen und Projekten für Kernherstellungs-, Form- und Gießereidienstleistungen ist die Unternehmensgruppe Loramendi & Aurre­nak ein entscheidender Partner im ICP-Projekt. Mit seinem Wissen entwickelte Loramendi eine vollautomatische, additive Kernproduktionslinie, die mit einem auf die Anforderungen des Projekts maßgeschneiderten anorganischen Bindersystems arbeitet. Dieses wurde von ASK Chemicals entwickelt. Das Zweikomponenten-­Bindersystem Inotec 3D ist für heißhärtende additive Fertigungsprozesse geeignet und besteht aus einer 3D-Druck-Flüssigkeit sowie einem 3D-Promotor, der die chemische Reaktion zwischen Sand und Binder fördert. Das Grund­material Inotec gilt als emissionsfreie Variante von Kernbindern auf Silikatbasis, das sich für den Aluminium- sowie den Leichtmetallguss eignet. Die Variante für die Voxeljet-Maschinen bietet zusätzlich einen geringen Nachbearbeitungsaufwand der gedruckten Sandkerne, der aufgrund hoher thermischer Stabilität zu Gussteilen mit hoher Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität führt. Der Werkstoff selbst ist ein Naturquarzsand. „Das Projekt wurde auf einen speziellen Sand qualifiziert, aber grundsätzlich ist der Anwender nicht darauf beschränkt. Er kann einen anderen Sandwerkstoff sowohl mit uns als auch selbst qualifizieren“, sagt Ederer. Nur bei dem Bindersystem äußert er Bedenken, „weil es ein Qualitätsmerkmal ist, das sehr stark in unsere Garantie und die Haltbarkeit des Druckkopfs eingreift.“

Automatisiert von Daten bis Finishing

Die ICP-Partner sprechen von einer „vollautomatischen 3D-­Druck-­Produktionslösung“. Eine automatisierte additive Fertigungslinie versprechen viele. Kann ICP, das Versprechen halten? „Die Gesamtstrecke von Daten bis zum gedruckten Kern ist mannlos – inklusive Bauteilreinigung, also auch Auspacken und Finishing“, bestätigt Ederer. Nach dem Druck folgt das Herausnehmen der Baubox aus der Maschine, deren Trocknung und das Entfernen des losen, nicht verdruckten Sandes. Dabei wird der meiste ungenutzte Sand aus der Baubox automatisch abgesaugt. Die ebenen Flächen der Bauteile sind weiterhin mit Sand bedeckt. Um diesen zu entfernen, nimmt ein Roboter die Bauteile, sobald sie gehärtet sind, und führt sie einer weiteren Reinigung zu. Dabei handelt es sich laut Ederer um ein Luftdruck-unterstütztes Abreinigen. Mehr wird noch nicht verraten.

Der Kunde, der Auslöser des ICP-Projekts war, fertigt damit Wassermantelkerne. Durch das Einbeziehen von Additiver Fertigung gelangt er zu einer deutlichen Bauteilreduktion und konnte eine besondere Kühlung des Zylinderkopfs entwickeln. „Wir sind dran, weitere Bauteile für ICP-Anwendungen zu identifizieren“, sagt Ederer. Pumpenkörper kann er sich vorstellen, Laufräder für Turbinen, Turbolader oder wassergekühlte Gehäuse für Elektroantriebe. Entscheidend ist, dass der Konstrukteur additiv denken kann. „ICP ist keine Lösung für den Seriengießer, der relativ einfache Geometrien vom Kunden bekommt“, stellt Ederer klar. Es sei nur sinnvoll, wenn die Bauteile beispielsweise über Topologie­optimierung entsprechend konstruiert würden, um Leistung oder Lebensdauer zu steigern oder Gewicht einzusparen. ICP ist nicht auf die Automobilindustrie beschränkt. „Was wir erarbeiten, ist eine Lösung für Gusskomponenten – aber man kann sie auch in Nicht-Guss-Bereiche übertragen“, überlegt Ederer. „Entscheidend ist, dass der Kunde komplexe Bauteile braucht – und mehr als Klein­serie“, so Ederer. Es müssen aber nicht immer 200.000 gleiche Bauteile pro Jahr sein.

* Weitere Informationen: Voxeljet in 86316 Friedberg, Tel. (08 21) 74 83-1 00

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Über den Autor

 Simone Käfer

Simone Käfer

Redakteurin für Additive Fertigung und Werkstoffe, MM MaschinenMarkt