3DMP-Verfahren Wie 3D-Druck die Gießereitechnik verändert

Autor / Redakteur: MA Alexander Stark / Stefan Guggenberger

Der 3D-Druck von Metallen verändert derzeit viele Produktionsprozesse in der Industrie. Als Alternative zur Gießereitechnik bietet das 3DMP-Verfahren eine Möglichkeit, auch große Werkstücke in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich zu fertigen. Dabei muss die additive Fertigung nicht zwangsläufig eine Konkurrenz sein.

Firmen zum Thema

Das Application Center führt Machbarkeitsstudien zum Einsatz der 3DMP-Fertigungstechnologie durch und konzentriert sich dabei auf die Bauteilentwicklung auf Basis der Kundenanforderungen.
Das Application Center führt Machbarkeitsstudien zum Einsatz der 3DMP-Fertigungstechnologie durch und konzentriert sich dabei auf die Bauteilentwicklung auf Basis der Kundenanforderungen.
(Bild: Gefertec)

Schnelligkeit, geringe Kosten und hohe Qualität - das sind die wesentlichen Kriterien bei der Bewertung der Verfahren zur Herstellung von Metallteilen. Je nach Anzahl, Größe und Komplexität der Bauteile sowie dem gewählten Metall eignen sich unterschiedliche Fertigungsverfahren. Additive Verfahren haben sich in den letzten Jahren neue Anwendungsgebiete erobert. Am weitesten verbreitet sind pulverbasierte 3D-Druckverfahren. Dies Verfahren ermöglichen die Herstellung sehr feiner Strukturen, sind aber oft in Geschwindigkeit und Größe begrenzt. Ein weiterer Nachteil: Pulver als Material ist sehr teuer und seine Handhabung vergleichsweise aufwändig.

3DMP als Alternative und Ergänzung für Gießereien

Gefertec hat das WAAM-Verfahren weiterentwickelt und mit der Technologielösung 3DMP WAAM zur Marktreife gebracht (siehe Textkasten). Das Lichtbogenschweißverfahren nutzt Draht als Ausgangsmaterial, was es ermöglicht, auch große und schwere Bauteile mit hoher Geschwindigkeit zu drucken. Für den Werkstoff 316L erreicht die Technologie eine Baurate von bis zu 3,6 kg/h. Draht aus allen gängigen Metallen - auch aus teuren Materialien wie korrosions- und hitzebeständigen Stählen oder Nickelbasislegierungen - ist zu vergleichsweise günstigen Preisen erhältlich. Das macht das Verfahren kostengünstiger als pulverbasierte 3D-Druckverfahren. Da die aufwändige Herstellung von Modellen oder Formen entfällt, können mit Gefertec-Maschinen schnell und kostengünstig endkonturnahe Rohlinge aus Metall hergestellt werden. Die Endbearbeitung erfolgt dann mit konventionellen Bearbeitungsverfahren wie Drehen und Fräsen - ein Schritt, der je nach gewünschter Oberflächenqualität des Bauteils auch nach dem Gießen notwendig ist. Ein weiterer positiver Aspekt der Herstellung von Bauteilen mit 3DMP ist der geringere CO2-Fußabdruck. Der erhebliche Energieaufwand für das Gießen kann mit 3DMP um bis zu zwei Drittel reduziert werden.

Bildergalerie

Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht die Herstellung von hochwertigen Bauteilen. Die Materialeigenschaften entsprechen denen von Gussbauteilen oder übertreffen diese sogar (siehe Tabelle in der Bildergalerie). Durch den Einsatz qualifizierter Prozessparameter und die integrierte Überwachung während des Prozesses kann die Bildung von Hohlräumen oder Porosität in den Bauteilen ausgeschlossen werden. 3DMP zeigt seine Überlegenheit vor allem bei kleinen Stückzahlen und bei der Verwendung von schwer zu verarbeitenden oder teuren Materialien. Typische Beispiele sind Nickelbasislegierungen, Edelstahl oder Warmarbeitsstahl.

Machbarkeitsstudien als Dienstleistung

Die Einführung neuer Technologien ist für die meisten Unternehmen ein großer Schritt. Gerade wenn es an Erfahrung fehlt, scheuen die Verantwortlichen oft die damit verbundenen Investitionen. Gefertec hat deshalb am Firmensitz in Berlin ein Application Center eingerichtet, das Bauteile auf ihren Arc-Maschinen fertigt und ein breites Spektrum an Dienstleistungen anbietet.

Das Application Center führt Machbarkeitsstudien zum Einsatz der 3DMP-Fertigungstechnologie durch und konzentriert sich dabei auf die Bauteilentwicklung auf Basis der Kundenanforderungen. Dies kann zum Beispiel kundenspezifische Anforderungen an die Materialprüfung beinhalten. Nach diesen Studien kann der Kunde entscheiden, ob er in eine Arc-Maschine investiert oder den 3D-Druck von Bauteilen auslagert. Das Anwendungszentrum stellt die während der Studie gewonnenen Ergebnisse zur Verfügung, um einen nahtlosen Wissenstransfer zu ermöglichen. Daher sind Machbarkeitsstudien eine hervorragende Gelegenheit für eine Gießerei, den neuen Fertigungsprozess zunächst im Detail zu evaluieren.

Entscheidet sich der Kunde für die Auslagerung des Druckprozesses, bietet Gefertec zusammen mit seinen Kunden aus der Lohnfertigung die Auftragsfertigung von Rohlingen oder fertigen Bauteilen nach den zur Verfügung gestellten Konstruktionszeichnungen an. Optional ist auch eine Wärmebehandlung der gefertigten Teile möglich. Die Lieferzeit beträgt nur wenige Tage und je nach Material können die Produktionskosten um bis zu 30 Prozent reduziert werden.

Erfolgreiche Anwendungen

Gefertec hat die vorgestellten Machbarkeitsstudien bereits in mehreren Kundenprojekten erfolgreich durchgeführt. In einem Projekt für die Deutsche Bahn ging es darum, mit dem 3DMP-Verfahren mobilitätsrelevante Ersatzteile zu fertigen, die nicht mehr ab Lager verfügbar sind und teilweise extrem lange Lieferzeiten hatten. Ein typisches Bauteil ist der sekundäre Rollenanschlag, der in den Drehgestellen von ICE-Zügen benötigt wird. Dieses Bauteil begrenzt das Querspiel des Wagenkastens und gewährleistet so die sichere Kurvenfahrt der Züge in engen Gleisbögen. Das Applikationszentrum zeigte in der Machbarkeitsstudie, dass dieses Bauteil in hoher Qualität auf den Arc-Maschinen gefertigt werden kann. Die eigentliche Produktion fand bei Rolf Lenk, einem Spezialisten für additive Fertigung, statt. Das Unternehmen stellte das Bauteil in sehr kurzer Zeit her und stellte es der Deutschen Bahn zur Verfügung. Die kurzen Produktionszeiten wirken sich positiv auf die Verfügbarkeit der Fahrzeuge bei der Deutschen Bahn aus.

Für einen anderen Kunden untersuchten die Spezialisten von Gefertec die Herstellung großer rotationssymmetrischer Anlagenteile aus korrosionsbeständigen Stählen, die zum Beispiel in der Lebensmittelproduktion oder der chemischen Industrie eingesetzt werden. Das Verfahren überzeugte auch diesen Hersteller durch eine hervorragende Bauteilqualität sowie eine schnellere und kostengünstigere Produktion. Die Schwierigkeiten, die bei korrosionsbeständigem Stahl in anderen Fertigungsverfahren üblich sind, treten beim 3D-Metalldruck auf den Arc-Maschinen nicht auf.

Lichtbogen-Maschinen

Die 3DMP WAAM-Technologie von Gefertec integriert eine Lichtbogenschweißtechnologie, eine CAM-Software und eine Werkzeugmaschine zu einer einsatzbereiten additiven Fertigungslösung. Die für das WAAM-Verfahren (Wire Arc Additive Manufacturing) konzipierten Lichtbogenmaschinen sind als 3- und 5-Achs-Versionen in verschiedenen Größen erhältlich. In der größten Ausbaustufe mit einem Bauraum von 3x3 m können Bauteile bis zu 3000 kg gefertigt werden. Alle Maschinen arbeiten mit Siemens-Steuerungen, wie sie auch in Werkzeugmaschinen eingesetzt werden. Eine speziell entwickelte CAM-Software erzeugt aus den CAD-Daten des Werkstücks die Daten, mit denen die CNC-Steuerung den Schweißkopf exakt positioniert. Die Maschine produziert dann vollautomatisch das endkonturnahe Werkstück. Dadurch ist die Bedienung sehr einfach, und die Maschinen lassen sich optimal in eine Produktionsumgebung integrieren.

Portfolioerweiterung in einer Gießerei

Das 3DMP-Verfahren zur additiven Fertigung von Metallbauteilen ist eine interessante Möglichkeit für Gießereien, ihr Portfolio zu erweitern. Das Verfahren eignet sich besonders für metallische Werkstoffe, die mit anderen Methoden nur schwer zu verarbeiten sind, und für die Produktion kleinerer Stückzahlen. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die hohe Produktionsgeschwindigkeit: Wenn kurze Lieferzeiten gefordert sind, ist das 3DM-Verfahren also eine sinnvolle Alternative. Unternehmen können die neue Technologie risikofrei testen, indem sie die Dienstleistungen des Application Centers bei Gefertec nutzen. Durch den damit verbundenen Wissenstransfer können Gießereien das Verfahren Schritt für Schritt integrieren.

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal ETMM veröffentlicht.

(ID:47326108)