Wie kann der 3D-Druck beim Metallguss von Vorteil sein? Hier sind 3 Möglichkeiten

Metallguss ist vielleicht eine der ältesten Herstellungsmethoden zur Herstellung von Metallteilen, aber es ist auch ein weiterer Sektor, der vom 3D-Druck profitieren kann.

Bei den hohen Kosten bei der Herstellung von Werkzeugen wie Formen, Kernen und Modellen erweist sich der 3D-Druck bereits heute als lohnende Alternative zur konventionellen Herstellung von Werkzeugen für Metallgussverfahren. Gießereien nehmen daher den 3D-Druck zunehmend in ihre Arbeitsabläufe auf, um wettbewerbsfähig zu bleiben.

Bestehende Einschränkungen überwinden

Gießereien setzen auf mehrere Metallgussverfahren, wobei Druckguss, Sandguss und Feinguss am häufigsten verwendet werden. Obwohl Metallguss eine bewährte Herstellungsmethode ist, gibt es immer noch bestimmte Einschränkungen, darunter:

• Hohe Kosten: Die Herstellung von Gusswerkzeugen kann unglaublich teuer sein. Das bedeutet, dass sich hohe Werkzeugkosten bei kleinen und mittleren Serien oft nicht ohne weiteres amortisieren lassen.

• Arbeitsintensiv: Da Werkzeuge in der Regel manuell hergestellt werden, kann der arbeitsintensive Prozess leicht zu langen Vorlaufzeiten von bis zu mehreren Monaten führen.

Um diese Herausforderungen zu meistern und einen Wettbewerbsvorteil zu behalten, müssen Gießereien nach innovativen Wegen suchen, um Werkzeuge für den Metallguss herzustellen – hier kommt der 3D-Druck ins Spiel.

Wie 3D-Druck Gießereien und Modellbauunternehmen zugute kommen kann

Der 3D-Druck wird zwar noch lange nicht das Ende traditioneller Gießereiverfahren bedeuten, die Technologie kann jedoch dazu beitragen, die kostspieligen und zeitaufwändigen Aspekte der Herstellung von Mustern, Kernen und Formen zu umgehen, und ermöglicht so mehr Flexibilität und Wirtschaftlichkeit für niedrig- Volumen, hochkomplexe Gussteile und Prototypen.

Hier sind einige Beispiele, wie der 3D-Druck in den konventionellen Gießprozess integriert werden kann:

#1 3D-gedruckte Stanzformen herstellen

Druckguss stammt aus dem 19. Jahrhundert und bezieht sich auf den Prozess, bei dem geschmolzene Metalle unter hohem Druck in Formhohlräume gegossen werden, um Metallteile herzustellen.

Eine der zentralen Herausforderungen des Druckgusses ist die Gestaltung von Kühlkanälen, die dazu dienen, eine Überhitzung der Kokille zu verhindern und den Erstarrungsprozess des Gussteils zu steuern.

Bei herkömmlichen Fertigungsmethoden werden diese Kanäle meist geradlinig bearbeitet, was zu einem langsameren und ungleichmäßigen Abkühlprozess führt. Dadurch kann sich das Werkzeug verformen und die Standzeit wird deutlich reduziert. Zudem führt die teilweise mangelhafte Wärmeableitung zu langen Abkühlzeiten der gefertigten Produkte.

Diese Einschränkungen gelten jedoch nicht für den 3D-Druck. Mit Metall-3D-Drucktechniken wie DMLS oder SLM können Werkzeugbauer beliebig komplexe Kühlkanäle in das Design einer Matrize integrieren.

Der 3D-Druck für den Druckguss bietet daher eine Reihe von Vorteilen, darunter:

• Designflexibilität, z.B. komplexe Geometrien, innere Strukturen und Hohlräume
• Ein schnellerer und gleichmäßigerer Kühlprozess
• Die längere Lebensdauer eines Werkzeugs
• Erhöhte Leistung

#2 Ziehen Sie 3D-Druck für Feingussmodelle in Betracht

Beim Feinguss werden verbrauchbare Wachsmodelle und Keramikschalen verwendet, um komplexe und detaillierte Teiledesigns zu erstellen. Traditionell werden diese Muster spritzgegossen. Die Kosten für Spritzgussformen können jedoch zwischen 3.000 und 30,00 USD liegen, mit Vorlaufzeiten von einer bis vier Wochen. Dies macht die Herstellung eines Werkzeugs für Kleinserien oder Einzelanfertigungen wirtschaftlich unrentabel.

Aus diesem Grund können sich Gießerei- und Modellbauunternehmen für den 3D-Druck von Modellen in einem für den Feinguss geeigneten Material entscheiden. Stereolithographie kann beispielsweise verwendet werden, um Muster mit einem UV-Laser zu erstellen, der dünne Harzschichten aushärtet.

Der Einsatz von 3D-Druck für den Feinguss kann helfen:

• Verkürzung der Vorlaufzeiten von Wochen auf Tage
• Hohe Werkzeugkosten eliminieren
• Geben Sie Designern mehr Freiheit bei der Erstellung hochkomplexer Muster

Viele Hersteller von 3D-Druckern haben 3D-druckbare Materialien speziell für das Gießen entwickelt, darunter Wachs, gießbare Harze und einige Thermoplaste, basierend auf PLA und ABS.

Diese Materialien werden typischerweise mit Stereolithographie (Harz) und FDM (Kunststoff) Technologien verwendet und erzeugen hochpräzise Muster mit hervorragenden Ausbrenneigenschaften.

#3 3D-Drucksandformen und -kerne

Sandguss ist eine weitere Umformtechnik, die durch den 3D-Druck transformiert wird.

Typischerweise beinhaltet ein Sandgussverfahren die Herstellung eines Objekts aus geschmolzenem Metall unter Verwendung von Sand als Form. Die Formhohlräume werden durch Handverpacken von Sand um ein Designmuster herum erzeugt. Das Gussdesign erfordert oft, dass Kerne in die Form gelegt werden, um die Innenkonturen des Gussstücks zu erzeugen.

Der 3D-Druck kann diesen Prozess vereinfachen, indem er Sandformen und Kerne direkt aus CAD-Dateien erstellt und die Schritte zur Muster- und Kernherstellung umgeht.

Genau wie 3D-Druckmuster für den Feinguss ist der 3D-Druck von Sandformen und -kernen ein werkzeugloser, automatisierter Prozess. Dadurch entfallen die Werkzeug- und Lohnkosten, die die Preise für den Metallguss in die Höhe treiben.

Sandformen und -kerne werden in der Regel mit der Binder Jetting-Technologie in 3D gedruckt, bei der selektiv ein Bindemittel aufgetragen wird, um Sand Schicht für Schicht zu kleben.

Auf diese Weise bietet der 3D-Druck eine schnelle und effiziente Methode für die Kleinserienfertigung. Derzeit können Binder Jetting-Systeme für den Sand-3D-Druck große Volumina von bis zu 4.000 x 2.000 x 1.000 mm erreichen, wodurch großformatige Sandkerne und -formen hergestellt werden. Darüber hinaus sind 3D-gedruckte Sandgussformen stark genug, um der rauen Umgebung des Metallgusses standzuhalten.

Weitere Vorteile des 3D-Drucks für Sandformen und -kerne sind:

• Kürzere Produktionszeiten
• Größere Gestaltungsfreiheit zur Herstellung geometrisch komplexer Gussteile (für die Muster und/oder Kernkästen erforderlich wären)
• Die Möglichkeit, komplexe, mehrteilige Kerne (z. B. ein Laufrad für eine Pumpe) als einen einzigen Körper zu drucken, sodass keine separaten Komponenten zusammengebaut werden müssen

Wie Unternehmen den 3D-Druck für den Metallguss einsetzen

Während der direkte 3D-Druck von Metallwerkzeugen wie Matrizen noch in den Kinderschuhen steckt, sind 3D-gedruckte Feingussmodelle sowie Sandkerne und -formen bereits weit verbreitet und gewinnen an Bedeutung.

Investment-Casting-Muster

3D-gedruckte Feingussmodelle werden zum Beispiel zunehmend verwendet, um kundenspezifischen Schmuck mit komplizierten Designs und personalisierte Dentalprodukte herzustellen und die Vorlaufzeiten zu verkürzen. In einem Beispiel konnte das kanadische Schmuckunternehmen Vowsmith, das auf maßgeschneiderte Ringe spezialisiert ist, seine Produktions- und Lieferzeiten um 50 % verkürzen, indem es die Wachs-3D-Drucker von 3D Systems in seinen Workflow integriert hat. In einem einzigen Druck produzierte das Unternehmen zwischen 35 und 40 personalisierte Ringmuster, die zum Gießen bereit sind.

Sandguss

Wenn es um Sandguss geht, installieren immer mehr Unternehmen der Gießereibranche Sand-3D-Drucker, um Geld für Werkzeuge für Kleinserienproduktionen zu sparen und schnellere Durchlaufzeiten zu erzielen. Beispielsweise verwendet die Hazleton Casting Company zusätzlich zu ihrem traditionellen Gießereibetrieb ein Roboter-Sand-3D-Drucksystem, um kundenspezifische, geometrisch komplexe Sandkerne und -formen nach Bedarf herzustellen. Bei komplexen Kernkonstruktionen ermöglicht der 3D-Druck Kosteneinsparungen von bis zu 50 % durch den Verzicht auf die Werkzeugproduktion.

Alte Tools

Anfang dieses Jahres investierte Danko Arlington, eine auf Modellbau und Sandguss spezialisierte Gießerei, in ein großes 3D-Sanddrucksystem, das hauptsächlich dazu verwendet wird, veraltete Werkzeuge, die schwer und teuer zu beschaffen sind, durch den direkten 3D-Druck von Sandkernen und -formen zu ersetzen.

Hydraulische Ventileinsätze

Ein weiteres Beispiel ist die US-amerikanische Prospect Foundry, die sich für den Sand-3D-Druck für die anspruchsvolle Aufgabe der Herstellung komplexer hydraulischer Ventileinsätze entschieden hat. In der Vergangenheit, als die Komplexität der Kerne die Produktion verhinderte, musste die Gießerei solche Aufträge ablehnen. Mit dem 3D-Druck konnte das Unternehmen jedoch nicht nur den Auftrag erfüllen, sondern auch eine sehr niedrige Ausschussquote erzielen.

3D-Druck:eine ergänzende Technologie für den Metallguss

Im Gegensatz zu der Annahme, dass der 3D-Druck Gießprozesse ersetzen kann, ist es realistischer, ihn als leistungsstarke Ergänzung zu bestehenden Verfahren zu sehen, die vom Druckguss über den Feinguss bis zum Sandguss reichen. Die Vorteile liegen auf der Hand – keine Notwendigkeit für CNC-Fräsen oder andere Werkzeuge, die die Kosten erhöhen können.

Der 3D-Druck ist ideal für hochkomplexe Gießaufträge in kleinen Stückzahlen und ermöglicht mehr Gestaltungsfreiheit und Kosteneffizienz bei der Modell- und Formenherstellung.

Dennoch ist es wichtig zu beachten, dass der 3D-Druck zwar nicht die Antwort auf jedes Gusswerkzeugproblem ist, aber anspruchsvolle Aufgaben ermöglicht, die zuvor nicht möglich gewesen wären.

Angesichts des rasanten Wachstums des 3D-Drucks – und insbesondere des Metall-3D-Drucks – ist es von entscheidender Bedeutung, dass sich Gießereien weiterhin mit dem 3D-Druck modernisieren. Dies wird dazu beitragen, die Grenzen bestehender Verfahren zu überwinden und in der sich ständig ändernden Fertigungslandschaft wettbewerbsfähig zu bleiben.