Phenolharz-basierter 3D-Druck

Thema des Monats

Einsetzen des bereits geschlichteten Laufradkerns /© voxeljet AG

Gerade für die Gießerindustrie bedeutet diese Technologie eine neue Möglichkeit zur schnellen und wirtschaftlichen Herstellung komplexer Gussteile. Klassische Herstellungsverfahren zeigen dabei Schwächen oder kommen an Ihre Grenzen. Mit der 3D-Drucktechnologie lassen sich - ganz gleich, ob Prototypen, Einzelteile oder Kleinserien – scheinbar unmögliche Geometrien schnell, präzise und kostengünstig anfertigen. Geschwindigkeit und freie Gestaltungsmöglichkeiten sind die Kernmerkmale der Technologie. Ausserdem eröffnen der Einsatz großformatiger 3D-Drucksysteme und breiter Materialspektren für viele Branchen immer mehr neue Anwendungsbereiche. Mittlerweile wird die Technologie in der Automobilindustrie über Maschinenbau, Pumpenindustrie bis hin zur Luftfahrt verwendet. Neue Materialsysteme, basierend auf phenoharzlbasierten Bindern, zeigen vor allem Vorteile in Bezug auf Festigkeit, Recyclingfähigkeit, reduzierten Gasstoß sowie Umweltfreundlichkeit.

Prototypen bis Kleinserien wirtschaftlich tätigen

Durch die werkzeuglose Herstellung von Sandformen und Sandkernen lassen sich Einzelstücke bis hin zu Kleinserien von wenigen Tausend Teilen mittlerweile wirtschaftlich fertigen. Der Komplexität von Formen und Kernen sind beim 3D-Druck dabei - im Gegensatz zur konventionellen Herstellung - nahezu keine Grenzen gesetzt. Denn der Aufwand des 3D-Druckens ist unabhängig von der Komplexität des Bauteils.

Zum einen muss nicht auf Hinterschneidungen oder Entformungsschrägen geachtet werden. Zum anderen können notwendige Gusstechnologien, wie beispielsweise das Angusssystem, direkt in den Formsatz konstruiert und mitgedruckt werden. Zudem können Bauteiländerungen flexibel, schnell und einfach umgesetzt werden. Ziel ist es, den Zeit- und Kostenaufwand der Form- und Kernherstellung signifikant zu reduzieren und komplexe Geometrien wirtschaftlich zu realisieren. Dabei kann eine Hybrid-Bauweise, die 3D-Druck und konventionelle Herstellung kombiniert, beliebig eingesetzt werden.

Im konkreten Fall der Herstellung eines Sandkerns für Turbinenräder kommen diese Faktoren besonders deutlich zum Tragen. In der konventionellen Fertigung müssen die einzelnen Segmente des Schaufelradkerns aufwendig zusammengesetzt werden. Beim 3D- Druck hingegen, wird der gesamte Turbinenkern an einem Stück hergestellt. Dadurch können Formteile einfacher, akkurater und reproduzierbar zusammengebaut und gegossen werden.

3D-gedruckter Kern (links) und fertig gegossenes Laufrad (rechts) /© voxeljet AG

Anforderungen an neue Materialprozesse im Sanddruck

Ein für verschiedenste Legierungen und über Jahre bereits bewährtes Materialsystem bietet ein Druckprozess, der ein kalthärtendes Furanharz als Bindemittel nutzt (Organic Direct Binding – kurz ODB), um die Quarzsand-Schichten miteinander zu verbinden. Allerdings stößt dieser Prozess gerade bei filigranen Kernen, die lediglich über Kernmarken befestigt werden können und dadurch zum Aufschwimmen tendieren an seine Grenzen. Schlechte Gussoberflächen, z.B. durch Vererzungen sind immer wieder Gründe auf alternative Sondersande auszuweichen. Hier bieten beispielsweise Kerphalit- und Cerabeads-Sande, die zum Teil weiter mit Additiven gemischt werden können, Abhilfe, sind jedoch deutlich teurer als Quarzsande.

Ein neu entwickelter Sandprozess, welcher eine erste Alternative zum ODB-Prozess darstellt, ist der sogenannte Phenol-Direct-Binding, kurz PDB-Prozess. Wie auch bei dem ODB-Prozess, wird anfangs eine dünne Sandschicht aufgetragen. Nach dem schichtweisen Auftrag der Sandschicht wird über den Druckkopf, selektiv das phenolbasierte Bindematerial auf den Sand aufgetragen. Als finalen Schritt in der Prozesskette fährt eine Infrarot-Lampe über das Baufeld, um den Sand zu erhitzen und dadurch das Bindematerial aushärten zu lassen. Die Bauplattform wird anschließend um eine Schichtstärke abgesenkt. Daraufhin folgt die Beschichtung mit einer neuen Schicht Partikelmaterial unter gleichzeitiger Erwärmung, s.o. Der Vorgang wird solange fortgesetzt, bis das Formteil vollständig gedruckt ist.

Die Prozessbeschreibung des 3D-Durck (Binder Jetting)/ © voxeljet AG

Vorteile im Phenol Direct Binding

Im direkten Vergleich zeigt der neue PDB-Prozess viele Vorteile gegenüber dem bisher bewährten ODB-Prozess.

Besonders in der Automobilindustrie, werden Sandkerne in ihrer Beschaffenheit immer komplexer. Beispiele hierfür sind Wassermantelkerne, Hydraulikkomponenten oder aufwendige Abgaskrümmer-Kerne. Gerade hier zahlt sich die erhöhte Biegefestigkeit der gedruckten PDB Teile (250-500 N/cm² - Festigkeit abhängig von der Orientierung im Bauraum) gegenüber denen der ODB Teile (230-330 N/cm² - Festigkeit abhängig von der Orientierung im Bauraum) aus.

„Dünne und lange Kerne werden zunehmend immer anspruchsvoller, weswegen unsere Gießereikunden trotz der Gestaltungsfreiheit im furanharzbasierten 3D-Druck vermehrt an Ihre Grenzen stoßen. In einem konkreten Fall brach bei einem Zylinderkopfabguss wiederholt der Wassermantelkern, da die Festigkeit im sind Prozess dem Druck der Metallschmelze nicht standhielt. Selbst ein „stehender“ Guss, um damit ein geringeres Biegemoment auf den Kern auszuüben, brachte keine Verbesserung. Je nach Kundenanforderung lassen sich Bindergehalt und Glühverlust flexibel anpassen, was letztlich beim angesprochenen Kern, in PDB gedruckt, mit einer Biegefestigkeit von 390 N/cm², das gewünschte Ergebnis lieferte.“ so Alexander Kudernatsch, Vice President Services bei voxeljet.

Zudem ist der neue PDB Prozess umweltfreundlicher, da der überschüssige Sand nahezu 100 % recycelt und wiederverwendet werden kann und das Bindematerial verringerte Schadhofgehalte aufweist.

Kudernatsch: „Wir sehen künftig, neben der bisherigen Verwendung von Quarzsand, weiteres Potential in der Verwendung von Spezialsanden. Da wir mit einem warmaushärtenden Harz arbeiten, können wir unterschiedlichste Partikelmaterialien im PDB-Prozess verdrucken. Hinzu kommt, dass von uns qualifizierte Gießereisande in rohem Zustand verarbeitet werden, was zusätzliche Prozessmaterialien und Hardware wie Aktivatoren und Mischequipment einspart. Maschinenkunden können zudem, nach Qualifizierung des Sandes, diesen auch direkt vor Ort beziehen, was Logistikaufwand und Kosten reichlich verringert.“

Aufgrund der starken Nachfrage und jüngsten Maschinenauslieferungen besteht intern aktuell nur bedingt Kapazität für Kundenaufträge in PDB (verfügbare Abmaße 1.000 x 600 x 500 mm). „Nichtsdestotrotz drucken wir für unsere Kunden gerne Testteile, um sich vom Gussverhalten der Phenol-Teile ein Bild zu machen“, so Kudernatsch. Plan 2017 ist die PDB-Maschinenkapazität weiter zu erhöhen, um die steigende Nachfrage zu decken.

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