Alles, was Sie über den 3D-Sanddruck wissen müssen

3D-Druck mit Kunststoff und Metall ist bereits etabliert und auch im allgemeinen Bewusstsein kein Geheimnis mehr. Dass aber auch Sand als Material für den 3D-Druck herangezogen werden kann ist außerhalb der Fachwelt eher unbekannt. Tatsächlich erweist sich der 3D-Sanddruck als gewinnbringende Lösung für eine Vielzahl an Branchen und besonders für das traditionelle Sandgießen komplementär. Der Sandguss wird durch den 3D-Druck schneller, flexibler und kostengünstiger. Wie aber funktioniert der 3D-Druck mit Sand und wie kann der konventionelle Sandguss von diesem additiven Verfahren profitieren? Diesen Fragen gehen wir in den folgenden Abschnitten nach.  

Um die Bedeutung des 3D-Sanddrucks für das Gießen nachzuvollziehen, ist es notwendig, das herkömmliche Verfahren des Sandgießens zu verstehen. Beim Sandguss handelt es sich um ein Gießverfahren zur Herstellung von Endteilen aus Metallen und anderen Werkstoffen. Die Form, in welche das flüssige Material gegossen wird, besteht dabei aus Sand, welcher den hohen Temperaturen standhält. Das Ur-Verfahren des Metallgießens ist seit Jahrtausenden bewährt und reicht bis etwa 3200 Jahre vor Christus zurück. Natürlich durchlief der Fertigungsprozess verschiedene Entwicklungsschritte, das Grundkonzept blieb aber unverändert.  

Beim Sandgussverfahren wird ein flüssiger Werkstoff (meist Metall) in Fromen aus Sand gegossen. (Bild: BigRep)

Heutzutage beginnt das Verfahren mit einer 2D-Zeichnung des zu fertigenden Objekts. Anhand des Konzepts wird ein Modell gefertigt, das – wenn es für Endteile aus Metall herangezogen wird – allerdings in seinen Dimensionen größer ausfällt, um die Schrumpfung einzubeziehen. Außerdem muss das Modell Eingusskanäle und Windpfeifen aufweisen. Die gefertigte Negativform wird in einen Baukasten gepresst, der mit Sand gefüllt ist. Im Sand entsteht dann ein Abbild des Modells – die Form. In diese Form wird das flüssige Material (Aluminium, Stahl, Magnesium, Eisen) gegossen und entnommen, sobald es abgekühlt ist. Im Rahmen der Nachbearbeitungsschritte müssen auch die Eingusskanäle und Speiser entfernt werden.  

Obwohl sich das Sandgießen durch seine detailgetreuen Resultate bewährt hat, verdeutlichen die genannten Prozessschritte, dass es sich um ein aufwendiges Verfahren mit vielen Etappen handelt. Hier kommt der 3D-Druck ins Spiel! Die Kombination aus klassischem Gießen und additiver Fertigung macht den Prozess effizienter, indem die Formen oder Kerne für Teile mit Hohlräumen per CAD digital konzipiert und per 3D-Sanddruck gefertigt werden. Somit entfallen die Schritte der Modellkonzeption, Modellerstellung und der Abdruck in den Formkästen. Auf den Punkt gebracht, bietet der 3D-Druck eine Abkürzung zum gewünschten Ziel und spart Zeit, Kosten und Ressourcen.  

Vor dem Druck erfolgt die Erstellung des Designs für die Form per CAD. (Bild: voxeljet)

Bevor wir auf die vielfältigen Vorteile genauer eingehen, konzentrieren wir uns aber auf den 3D-Sanddruck selbst. Dabei wird kein herkömmlicher Sand aus dem Sandkasten oder vom Strand verwendet, sondern Quarzsand, welcher wiederum vorwiegend aus Quarzkörnern besteht. Je nach Gusslegierung des endgültigen Teils können unterschiedliche Sandtypen zum Einsatz kommen. Quarzsand SH-F01 ist matt und schwarz, SH-P14 ist beige und typisch sandfarben. Beide bieten eine hohe thermische Beständigkeit und hohe Festigkeit. Daneben kann auch synthetischer Sand SH C052 verwendet werden. Dieser basiert auf Keramik und bietet ähnliche Eigenschaften wie die zuvor genannten Typen. Der Sand wird im 3D-Sanddruck dann anstatt des herkömmlichen Pulvers (Metall oder Kunststoff) per Binder Jetting zu den Formen für den Sandguss verarbeitet.  

Vorteile und Anwendungen des 3D-Sanddrucks

Binder Jetting gilt im Vergleich zu manch anderen 3D-Drucktechnologien als besonders effizient. Das gilt nicht nur für die Verarbeitung von Kunststoff- oder Metallpulver, sondern auch für Sand. Durch den 3D-Druck mit Binder Jetting können also nicht nur Etappen des regulären Sandgusses übersprungen werden, sondern die Formen besonders effizient gefertigt werden. Durch die Zeitersparnis in der Produktion ergibt sich auch ein Kostenvorteil. So kann der Sanddruck der Formen zu einer Kostensenkung von 75 % in der Gesamtproduktion führen.  

Ein Maschinenbediener reinigt Sand von einem 3D-gedruckten Kern. (Bild: Hoosier-Muster)

Das 3D-Modell wird am Computer konzipiert, sodass Änderungen und individuelle Anpassungen bequem umgesetzt werden können. Außerdem ist es möglich, komplexe Geometrien zu realisieren und in jedem Maßstab zu produzieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Sandformen per Binder Jetting eine hohe Maßgenauigkeit aufweisen und beliebige Stückzahlen gefertigt werden können. Dadurch eröffnen sich auch Wettbewerbsvorteile, da besser auf Kundenwünsche eingegangen werden kann. 

Neben Zeit- und Kosten- ist der Sanddruck auch Ressourcen-schonend. Für das Erstellen eines physischen Modells müssen keine Materialien mehr verarbeitet werden. Indem bei additiven Verfahren zum Großteil nur das tatsächlich nötige Material verwendet wird, fällt insgesamt auch weniger Abfall an. Quarzsand gilt als ökologisches Material, ist praktisch unbegrenzt vorhanden und das nicht verwendete Druckpulver kann zudem zum Teil wiederverwendet werden. In diesem Sinne trägt der 3D-Sanddruck zu einer nachhaltigeren Produktion bei.  

Der 3D-Sanddruck kann für Formen für diverse Anwendungen in Betracht gezogen werden, vor allem für solche, in der eine effiziente Produktion von komplexen Bauteilen erforderlich ist. Dies ist in der Automobilbranche oder der Luft- und Raumfahrt der Fall, konkrete Anwendungen sind beispielsweise Laufräder oder Propeller. Die britische Gießerei Boro Foundry zog den 3D-Sanddruck etwa für die Produktion von Ersatzteilen heran. Der Sanddruck kann aber auch für die Herstellung von Designermöbel, in der Kunst und Restaurierung eingesetzt werden. Gefertigt werden dabei sowohl Prototypen als auch kleine Serien.  

Eine durch 3D-Sanddruck hergestellte Form für ein Laufrad. (Bild: voxeljet)

Hersteller von 3D-Sanddruckern

Innerhalb der 3D-Landschaft gibt es einige Hersteller, die sich auf die Verarbeitung von Sand spezialisiert haben. Insbesondere das deutsche Unternehmen voxeljet hat sich dadurch einen Namen gemacht. Voxeljet bietet mehrere 3D-Drucksysteme für den 3D-Sanddruck an, darunter die Maschinen VX 200, 500, 1000, 2000 und 4000, welche über eine unterschiedlich groß ausfallende Bauplattform verfügen. Neben voxeljet sei auch ExOne zu nennen (mittlerweile von Desktop Metal übernommen), welches sich ebenfalls auf Systeme für Binder Jetting mit Sand konzentriert hat.   

Auch wenn der 3D-Sanddruck ein kleineres Anwendungsspektrum abdeckt als der 3D-Druck von Harzen, Polymeren und Metallen, erfüllt er doch spezifische Anliegen. Aus diesem Grund erweitern auch immer mehr Service-Dienstleister ihr Angebot um den 3D-Sanddruck, um noch besser auf Kundenwünsche einzugehen und auch kleinere Gießereien zu unterstützen, die den Sandguss durch 3D-Druck reformieren möchten, aber nicht über die nötigen Ressourcen verfügen, selbst in einen 3D-Sanddrucker zu investieren.  

Der voxeljet VX4000 ist der bislang größte 3D-Sanddrucker. (Bild: voxeljet)

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*Titelbildnachweis: ExOne