Fachartikel

5.11.2018
erschienen in GIESSEREI Heft 11|2018

Additive Manufacturing – ein Plus für das moderne Metallgießen

Bild 3: Ein durch Kombination von generativem Design, additiver Fertigung und Metallgießen hergestellter Flugzeugsitzrahmen (Fotos: Autodesk).

Viele industrielle Hersteller behaupten, der Additiven Fertigung gegenüber offen zu sein. Doch wie viele wagen es tatsächlich, diesen Weg einzuschlagen? Ein Essay über die Chancen für Metallgießereien durch Additive Manufacturing mit dem Fokus auf Nordamerika.

VON ANDREAS BASTIAN, SAN RAFAEL, USA

Abgesehen von einer Handvoll Frühanwendern warten die meisten industriellen Hersteller lieber ab, ob oder wann additive Fertigungstechnologien weiter ausreifen. Vielleicht fallen auch Sie in diese Kategorie. Natürlich gibt es nachvollziehbare Gründe, weshalb Hersteller weiterhin auf traditionelle Fertigungsverfahren wie das Metallgießen setzen, statt sich kopfüber in die additive Metallfertigung zu stürzen: Zum einen können sie bei der additiven Metallfertigung in der Regel auf weniger als ein Dutzend allgemein verfügbare Materialien zurückgreifen, während beim Metallgießen Hunderte verschiedene Legierungen zur Anwendung kommen können – ganz zu schweigen davon, dass die Verwendung neuer individueller Materialien kein Problem darstellt, selbst für ein einziges Bauteil im Rahmen eines größeren Projekts.

Zum anderen lassen sich in den Metallgießverfahren riesige Bauteile anfertigen, während Metalldrucker allerhöchstens Teile in Brotkastengröße hervorbringen. Der dritte Faktor sind Kosten- und Zeitaufwand: Anlagen für das direkte Laserschmelzen (Direct Metal Laser Sintering, DMLS) sind äußerst kostspielig und erfordern ein hohes Maß an Nachbearbeitung. So ist meistens irgendeine Form von heißisostatischem Pressen und das Entfernen von Stützstrukturen von der Bauplatte notwendig.

Technologischer Hattrick

Nicht zuletzt handelt es sich beim Metallgießen um einen wohlbekannten und bewährten Prozess, den es bereits seit Jahrtausenden gibt. Dadurch, dass er nicht mehr neu zertifiziert werden muss, lässt sich eine Menge Zeit und Geld sparen. Dennoch müssen Hersteller, die weiterhin auf das Metallgießen setzen, nicht auf das größere Formenrepertoire des generativen Designs oder auf die Vorteile der additiven Fertigung verzichten.

Tatsächlich können moderne Metallgießverfahren den Weg zu diesen Technologien ebnen. Anders als bei typischen 3-D-Metalldruckverfahren, bei denen Form und Material zeitgleich bestimmt werden, geschieht dies beim Metallgießen in zwei separaten Schritten. Wer diese Tatsache zum eigenen Vorteil zu nutzen weiß, dem kann ein technologischer Hattrick gelingen - also drei Erfolge auf einmal:

  • Mithilfe von generativem Design und digitaler Optimierung können Hochleistungsstrukturen per Computer entworfen werden
  • additive Fertigung ermöglicht die physische Umsetzung dieser Strukturen zu Gießformen
  • und moderne Gießverfahren verpassen ihnen unter Verwendung der passenden Metalllegierung die endgültige Form.

Dieser Ansatz bietet industriellen Herstellern sowohl eine gute Einstiegsmöglichkeit in die Welt des generativen Designs als auch der additiven Fertigung, zwei Ansätze, die in Zukunft weiter an Fahrt gewinnen werden. Und schon heute können Hersteller unter Zuhilfenahme von 3-D-gedruckten Gießformen Metallerzeugnisse in Geometrien entwickeln, die bisher nicht realisierbar waren. Unternehmen, die auf Leichtbau setzen – etwa in der Automobil- oder Luftfahrtbranche –, kann diese Arbeitsweise erhebliche Vorteile bieten, und in manchen Fällen tut sie das sogar bereits. Darüber hinaus eignet sie sich hervorragend zur Herstellung maßgeschneiderter Objekte, wie etwa Knie- und Hüftersatzlösungen für Anbieter von Prothesentechnik.

Feingegossenes Flugzeugsitzgestell

Ein Beispiel dieser technologischen Dreierkombination ist das ultraleichte Flugzeugsitzgestell, das mein Autodesk-Kollege Andy Harris und ich Anfang dieses Jahres mithilfe einer Kombination aus optimierten Gitterstrukturen, 3-D-Druck und dem Feingießverfahren entwickelt haben. Wir fassten den Beschluss, das Sitzgestell aus Magnesium herzustellen, da das Material um 35 % leichter ist als das üblicherweise für solche Strukturen verwendete Aluminium und ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweist.

Da derzeit verfügbare additive Metalldrucker nicht in der Lage sind, Magnesium zu drucken, haben wir uns an eine der wenigen Gießereien in Nordamerika gewendet, die mit Magnesium arbeiten: Aristo Cast aus Almont in Michigan. Das Team von Aristo Cast druckte ein Kunststoffmodell des Sitzgestells und verpasste ihm die entsprechende Struktur, die dann mit Keramik überzogen wurde (Bild 1). Anschließend wurde der Kunststoffanteil weggeschmolzen und Magnesium in die Keramikform gegossen, um das endgültige Sitzgestell zu erzeugen (Bild 2). Aufgrund des verwendeten Materials und der Gitterstruktur ist das Sitzgestell um 56 % leichter als derzeit gängige Modelle (Bild 3). Würde man einen Airbus A380 für 615 Passagiere mit Sitzen dieser Art ausstatten, ließen sich innerhalb eines Jahres Treibstoffkosten in Höhe von 100 000 US-Dollar (rund 87 000 Euro) sparen – bei einer Flotte von einhundert A 380-Maschinen und einer Zeitspanne von 20 Jahren würden sich die Einsparungen auf 200 Mio. US-Dollar (174 Mio. Euro) belaufen. Und auch die CO2-Belastung der Atmosphäre ließe sich so um 140 000 t reduzieren.

Herstellung von Bauteilen in zwei Tagen

Tatsache ist, dass viele Gießereien lieber die Finger von Formen lassen, die zu einzigartig oder kompliziert erscheinen – denn letztendlich ist es die Herstellung fertiger Produkte und nicht die Entwicklung von Prototypen, die das Gießereigeschäft am Laufen hält. Aristo Cast baut jedoch bereits seit 20 Jahren auf 3-D-Drucktechnologien und probiert jede neu verfügbare Technologie aus. Damit räumt das Unternehmen mit dem Mythos auf, die Herstellung von Bauteilen im Metallgießverfahren dauere rund anderthalb Jahre. Tatsächlich braucht das Unternehmen hierfür gerade einmal zwei Tage, weniger Zeit sogar, als dies in vielen Fällen mit Metalldruckern der Fall wäre. Aristo Cast ist auf Feingießen spezialisiert, einem Verfahren, bei dem zunächst ein Modell des gewünschten Objekts hergestellt wird.

Durch ein spezielles Gieß- und Ausschmelzverfahren wird das Modellmaterial dann entfernt und es entsteht das Endprodukt aus Metall. Des Feingießverfahren bietet selbst im Submillimeterbereich äußerste Detailtreue: Wird ein Fingerabdruck auf dem Modell hinterlassen, ist dieser auch auf dem Endprodukt sichtbar. Eine andere Möglichkeit in diesem Zusammenhang ist das Sandgießverfahren, bei dem Metallobjekte anhand von 3-D-gedruckten Sandformen hergestellt werden. Diese Methode ermöglicht zwar keine ganz so feinen Details, ist im Gegensatz zum additiven Metalldrucken oder Feingießverfahren jedoch in der Lage, Bauteile mit einem Gewicht von mehreren Tonnen und einem Durchmesser von mehreren Metern zu produzieren.

Was kommt nach dem Hype um die additive Fertigung?

Viele Gießereien haben erkannt, dass die additive Fertigung bei großen Produktionsmengen kosteneffektiver ist als die Arbeit mit komplizierten Gießformen, insbesondere in Kombination mit dem Sandgießverfahren. Doch wenn der Reiz des Neuen erst verflogen und der Hype um die additive Fertigung abgeflaut ist, wird die breite Akzeptanz des Verfahrens davon abhängen, ob es sich im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungstechnologien als billiger erweist oder einen anderweitigen Mehrwert bietet.

Im Bestreben, diese Vorstellung Realität werden zu lassen, hat 3D Hubs kürzlich einen Service für eine schnelle und kostengünstige Herstellung von Bauteilen ins Leben gerufen. 3D Hubs ist eine niederländische Plattform für Fertigungsdienstleistungen mit Tausenden von Fertigungspartnern. Das Prinzip dahinter? Eine Kombination aus additiver Fertigung und Metallgießen. 3D Hubs verwaltet den gesamten Prozess vom Druck der Gießform über ihren Transport in die Gießerei bis hin zum eigentlichen Abguss. Für den Druck der Formen setzt das Unternehmen extrusionsbasierte FDM (Fused Deposition Modelling-)Drucker ein, verwendet jedoch ein speziell für Gießverfahren entwickeltes Material, das mit Dampf geglättet werden kann, um Schichtlinien zu beseitigen (ein stets aktuelles Problem).

Services wie jener von 3D Hubs bieten eine großartige Möglichkeit, Planungsingenieuren die Gestaltungsarbeit für die additive Fertigung schmackhaft zu machen. Egal, ob man sich für einen Drittanbieter entscheidet oder eigenhändig experimentiert, das Wichtigste ist, der Technologie eine Chance zu geben. Und so viel steht fest: Die Vorteile der additiven Fertigung, des generativen Designs und der Formenoptimierung sind für die Gießereibranche in greifbarer Nähe.

Andreas Bastian ist Ingenieur und Gestalter. Sein Interesse gilt der Auflösung der Grenzen zwischen Material und Gestaltung durch die Entwicklung und Anwendung von innovativen additiven Fertigungstechnologien. Als leitender Forschungswissenschaftler bei Autodesk, San Rafael, USA, befasst sich Bastian zurzeit sowohl mit neuartigen als auch etablierten additiven Fertigungstechnologien und ihrer Rolle in der nahen Zukunft. Bastians Arbeitgeber Autodesk ist ein US-amerikanisches Software-Unternehmen für digitales 2- und 3-D-Design. Mit Spark plant das Unternehmen eine offene und kostenfreie Software-Plattform zum Thema 3-D-Druck. Ziel ist es, mit Entwicklern von 3-D-Software und 3-D-Drucker-Herstellern einheitliche Standards zu schaffen, um die Benutzbarkeit der Geräte zu verbessern. Außerdem vertreibt das Unternehmen seit 2015 einen eigenen 3-D-Drucker.

Erstmals erschienen ist der Artikel auf www.autodesk.de/redshift Ende April 2018.

www.autodesk.de