3D-gedruckte Modelle ermöglichen bionische Feingussbauteile

Leichtbau 3D-gedruckte Modelle ermöglichen bionische Feingussbauteile

26.01.2018Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter |

Mittels Topologieoptimierung, Bionik und 3D-gedruckten Modellen für den Feinguss gelingt es dem Luftfahrtzulieferer Sogeclair 30 % Gewicht bei seinen Türen aus Aluminium zu sparen.

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Mit 3D-Druckern von Voxeljet lassen sich neuartige materialsparende Geometrien für die Luftfahrt realisieren: links das Gussmodell aus PMMA, rechts die im Feinguss hergestellte Tür aus Aluminium.
(Bild: D.Quitter/konstruktionspraxis)

Um Flugzeuge treibstoffsparsamer zu machen, fordern immer mehr Hersteller von ihren Zulieferern Leichtbauteile. Ein Lösungsansatz: 3D-Drucker, mit denen sich direkt aluminium- und titanlasergesinterte Bauteile mit neuartigen, materialsparenden Geometrien realisieren lassen. Das Manko: Die gefertigten Bauteile sind vergleichsweise teuer und eignen sich bislang nur für die Produktion kleiner Bauteile. Wie steht es aber um größere Bauteile wie Flugzeugtüren? „Hier bietet sich die Möglichkeit den 3D-Druck mit dem altbewährten Feinguss zu kombinieren“, sagt Thierry Herrero, Director Sales West Europe bei Voxeljet. Und zwar mit 3D-Druckern, die Feingussmodelle für vorher nicht-herstellbare Geometrien mit Kunststoff (PMMA) additiv drucken – ganz ohne teure Spezialwerkzeuge. „Somit verbindet sich das Beste zweier Welten: die geometrische Freiheit des 3D-Drucks und die Stabilität des altbewährten Feingusses.“ Zu den Anwendern der 3D-gedruckten Gussformen zählt Sogeclair. Ein Forschungsprojekt des französischen Luftfahrtzulieferers beschäftigt sich mit futuristischen Flugzeugtüren, die dank eines raffinierten, bionischen Geflechts aus Aluminium-Streben bei gleicher Robustheit deutlich weniger Material benötigen und somit 30 % leichter sind.

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3D-Druck und Feinguss kombinieren

Ein solches Geflecht im Computer mit einer Computer-aided-Design Software (CAD) zu konstruieren, ist für die Aerospace-Experten kein Problem. Schwierig wird es hingegen bei der Fertigung im Feingussverfahren. „Gerade bei der Entwicklung von Prototypen müssen Unternehmen immer wieder Feinheiten ändern“, erklärt Herrero. „Es ist allerdings zeit- und kostenaufwendig, für jede Änderung mit Spezialwerkzeugen eine neue Gussform für den Feinguss zu fertigen.“ Die Lösung: das 3D-Drucksystem VX1000 von Voxeljet, das mit einem Bauraum von 1000 mm x 600 mm x 500 mm zu den größten industriellen 3D-Drucksystemen für Feingussmodelle zählt. „Designänderungen lassen sich direkt am Bildschirm realisieren.“

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3D-gedrucktes Modell aus PMMA. Der Druckkopf verklebt den Kunststoff in nur 150 Mikrometer dünnen Schichten. In der Gießerei erhält das Modell dann eine Keramikbeschichtung. Beim Ausbrennen im Ofen schmilzt das Plastik, sodass eine Gussform aus Keramik übrigbleibt.

Für den Prototyp der Flugzeugtür erhielt das Plastikmodell aus dem 3D-Drucker eine Metallbeschichtung.

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Feinste Strukturen präzise drucken

Voxeljet nutzt die CAD-Datei der Flugzeugtür als Input für das 3D-Drucksystem. Dieses trägt einen Acrylkunststoff namens Polymethylmethacrylat (PMMA) in Pulverform auf das Baufeld auf – in 150 µm dünnen Schichten. Der Druckkopf fährt anschließend über das Baufeld und verklebt, dem digitalen Bauplan entsprechend, punktuell das PMMA. Anschließend folgt eine frische Pulverschicht. Schicht für Schicht entsteht so das Feingussmodell, das qualitativ besser abschneidet als Testdrucke der Konkurrenz. „Im Vergleich zu anderen additiv verarbeitbaren Materialien, wie beispielsweise Flüssigharze in der Stereolithographie lässt sich das PMMA hervorragend ausbrennen. Grund hierfür ist vor allem der negative Ausdehnungskoeffizient unseres Pulvermaterials, was keinerlei Schalenbrüche beim späteren Ausbrennen des dünnwandigen Modells mit sich bringt.“, sagt Herrero.

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Ist das PMMA-Modell fertig gedruckt, wird dieses mit einem heißen Wachs infiltriert, um die Oberflächen zu versiegeln. Der nächste Arbeitsschritt erfolgt in der Gießerei. Mitarbeiter versehen das gedruckte Modell mit Keramikschichten und schmelzen das Modell in einem Ofen aus. Übrig bleibt eine Gussform aus Keramik, die anschließend mit flüssigem Aluminium gefüllt wird. Ist das Metall ausgehärtet, schlagen Mitarbeiter die Keramikschicht ab und legen die fertige Flugzeugtür frei. (qui)

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