Spezialbauteil-3D-Druck: Sandguss 60 Prozent schneller!

Bauteilgeometrien werden zunehmend komplexer - im Maschinenbau und auch in der Automobilindustrie. Allein unter der Motorhaube von Edelfahrzeugen befindet sich ein Ensemble aus Sonderbauteilen – speziell angepasste Verdichtergehäuse, Getriebe, Turbolader, Ölpumpen und Drosselkappen. Sie entstehen bei Spezialherstellern wie der Lütgemeier GmbH aus Steinhagen bei Bielefeld. Die Herausforderung für das Unternehmen: Die Herstellung von Gussformen, in denen das flüssige Metall die Form solch komplexer Sonderbauteile annehmen soll, wird mit der zunehmenden Komplexität der Geometrien auch kosten- und zeitintensiver – unter anderem, weil eine aufwändige Herstellung von Spezialwerkzeug dafür nötig ist. Um Kunden trotzdem Flexibilität und kurze Lieferzeiten garantieren zu können, machte sich Lütgemeier-Geschäftsführer Hülsmann auf die Suche nach einer Automationslösung.

Fündig wurde er bei Voxeljet, Hersteller industrieller 3D-Drucksysteme mit Hauptsitz in Friedberg bei Augsburg. Hülsmann investierte in die VX1000 PDB (Phenolic-Direct-Binding), ein professionelles 3D-Drucksystem für industrielle Anwendungen:  2.800 x 2.400 x 2.300 mm groß und 3,5 Tonnen schwer. „Nachdem wir gute Erfahrungen mit den gedruckten Formen aus dem Voxeljet-Dienstleistungszentrum gemacht haben, entschlossen wir uns zur Investition in ein eigenes 3D-Druckssystem“, sagt Hülsmann. „Und die VX1000 druckt sehr zuverlässig.“ Die Maschinenauslastung bei Lütgemeier liegt derzeit bei einhundert Prozent. In Stoßzeiten mit einer extrem starken Nachfrage nimmt Lütgemeier weiterhin die bewährte Voxeljet-Dienstleistung in Anspruch, um den Bedarf an 3D-gedruckten Bauteilen zu sättigen.

Die VX1000 ermöglicht die automatisierte Herstellung von Sandgussformen. Der Anwender lädt eine CAD-Datei, die digitalen Konstruktionspläne der Sandgussform, auf das 3D-Drucksystem. Dann breitet der sogenannte Recoater auf der 1.000 x 600 x 500 Millimeter großen Bauplattform eine 300 Mikrometer dicke Quarzsandschicht aus. Anschließend appliziert ein Druckkopf einen Phenolharzbinder überall dort, wo die Gussform entstehen soll. Eine mobile Infrarotlampe fährt über das Baufeld, um das Aushärten des Binders zu beschleunigen. Als nächstes senkt sich die Bauplattform um eine Schichtstärke ab und der Prozess beginnt von vorn – solange, bis die Form fertiggestellt ist.

„Binder Jetting ist für die automatisierte Herstellung von Sandgussformen der einzig bewährte und wirtschaftliche Prozess“, weiß Hülsmann. Nach dem Druck entnimmt ein Mitarbeiter die fertige Gussform und entfernt überschüssigen Quarzsand mit Druckluft oder einem Pinsel. Doch anstatt diese Form an die Gießerei zu geben, was wieder Zeit kosten würde, vergießt Lütgemeier neben Leichtbaulegierungen wie Aluminium auch hochhitzefeste Stähle selbst. Auch die komplette Nachbearbeitung der Bauteile kann der Fahrzeugtechniker im eigenen Haus übernehmen. Mehrere 5-Achs-Fräsmaschinen sowie Drehmaschinen und mehrere Messmaschinen stehen dazu zur Verfügung. So schafft es Lütgemeier die Bauteile zu produzieren, ohne die Lieferkette durch Zwischenstopps in die Länge zu ziehen.

Die Effizienz dieser Prozessoptimierung zeigt ein Beispiel aus der Praxis. Das in Bottrop ansässige Unternehmen BRABUS spezialisiert sich seit über 40 Jahren auf die Veredlung von Mercedes-Benz Automobilen. Unter anderem schuf BRABUS auf Basis des Mercedes-AMG G 65 die BRABUS G900. Der darin verbaute V12 Biturbo Motor liefert sagenhafte 900 PS und beschleunigt das G-Modell in gerade einmal 3,9 Sekunden auf 100 km/h. Das ist Sportwagenniveau in einem Geländewagen. Möglich wird das durch die Leistungsoptimierung des Motors. Spezielle Turbolader mit einem vergrößerten Verdichtergehäuse aus dem Hause Lütgemeier tragen zu dieser enormen Leistungssteigerung bei.

Hülsmann ist von der Investition in das 3D-Drucksystem überzeugt. Schließlich ist die Zeitersparnis enorm. „Dank dieses Drucksystems sowie der kompletten Nachbearbeitung „inhouse“ bis hin zur Qualitätssicherung, konnten wir bei der Herstellung komplexer und qualitativ hochwertiger Sandgussformen eine Zeitersparnis von bis zu 60 Prozent erreichen“, sagt Hülsmann. Die Automation sorge sowohl für gesteigerte Flexibilität als auch Produktivität und letztlich hohe Zufriedenheit bei Kunden, die Bauteile schneller denn je in Händen halten. „Die fertigen Gussteile liegen schneller vor und wir können, je nach Kundenwunsch, mehr Zeit in die Nachbearbeitung und Optimierung einzelner Bauteile investieren. Oder einfach rascher liefern“, so Hülsmann weiter.

Ein Vorteil der bei BRABUS gut ankommt: „Die Leistung eines Motors zu steigern ist äußerst zeit- und kostenintensiv. Es gilt den Motor in einem begrenzten Motorraum zu Höchstleistungen zu optimieren. Hier bietet sich der 3D-Druck perfekt an. Durch den schichtweisen Aufbau können wir Geometrien und Bauteile konstruieren, die mit herkömmlichen Methoden nicht herstellbar wären“ sagt Jörn Gander, Director für Technik und Entwicklung bei BRABUS.

„Die Zusammenarbeit mit Lütgemeier zeichnet sich vor allem durch die schnelle Lieferung von qualitätsgesicherten und optimierten Bauteilen aus. Wir sparen uns die Nachbearbeitung und können die Teile direkt einbauen. Das ist für unsere Entwicklung und unsere Montage entscheidend und sichert uns einen Vorsprung gegenüber dem Wettbewerb.“ Ein weiterer Vorteil: Die Kosten für die Herstellung der Sandgussformen sind gesunken. „Bei komplexen Bauteilen ist der 3D-Druck aufgrund der nicht vorhandenen Werkzeugkosten bei einer Gesamtkostenbetrachtung bis zu einer bestimmten Losgröße stets günstiger als die konventionelle Vorgehensweise“, Matthias Steinbusch, Manager Sales EMEA bei Voxeljet. „Je kleiner die Losgröße, desto größer ist der Kostenvorteil der Voxeljet-Technologie.“ Auch das spielt BRABUS in die Hände. Das G900-Modell gibt es insgesamt nur 10-mal auf dieser Welt. Eine Losgröße in der der 3D-Druck eine maximale Wirtschaftlichkeit in der Produktion gewährleistet.

Das Phenolic-Direct-Binding ermöglicht zudem neue Gestaltungsmöglichkeiten. „Die Gestaltungsfreiheit ist weit weniger eingeschränkt als bei konventioneller Fertigung. Konstrukteure müssen weder auf Entformungsschrägen, Trennlinien noch Hinterschnitte achten und können selbst filigranste Innengeometrien realisieren“, sagt voxeljet-Sales Manager Steinbusch. Das industrielle Piezo-Druckkopfsystem der VX1000 arbeitet mit einer Auflösung von bis zu 300 dpi. Der nicht verklebte Quarzsand ist zudem im PDB-Prozess zu einhundert Prozent recyclingfähig und kann beim nächsten Druck erneut zum Einsatz kommen. Eine weitere Kostenersparnis.

Doch sind die 3D-gedruckten Gussformen tatsächlich stabil genug, um dem hohen Gießdruck standzuhalten, wenn das Metall hineinfließt? Steinbusch: „Druckt man sehr filigrane Gussformen mit Furanharz, besteht oftmals die Gefahr, dass die Formen beim Gießen zerbrechen.“ Phenolharz als Bindemittel mache es hingegen möglich, dass Formen aus dem 3D-Drucksystem und dem klassischen Formenbau in puncto Stabilität auf höherem Niveau liegen. „Die im Schichtbauprozess erzielbare Biegefestigkeit liegt mit einstellbaren Werten zwischen 300 und 800 N/cm2 im Bereich der Festigkeit konventionell gefertigter Kerne. Die 3D-gedruckten Formen sind somit stabil genug, um dem Druck des Metallgusses zuverlässig standzuhalten – und das selbst bei filigranen Hydraulikkomponenten.“ Von der Zuverlässigkeit des 3D-Drucksystems überzeugt, plant Hülsmann jetzt die Expansion. Er möchte seine Dienstleistungen in Zukunft nicht mehr nur Fahrzeugherstellern anbieten, sondern auch Maschinenbauern. (Nach Unterlagen Voxeljet)