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Wann geht 3D-Sanddruck statt Metall-3D-Druck?

Schnell Bauteile aus Metall fertigen, ohne Tooling oder Schweißen? Für funktionale Prototypen und Einmalteile greifen Konstrukteur*innen gern zum Metall-3D-Druck. Mit „Printed Casting“ geht das genauso, mit Bonus. Hier erklärt das CASTFAST-Team kurz die Unterschiede und die Vorteile des 3D-Sanddrucks.

Additive Fertigungsverfahren locken mit großer Gestaltungsfreiheit, Flexibilität und vernachlässigbaren Vorlaufzeiten. Perfekt, wenn man schnell und unkompliziert Prototypen oder komplexe Einmalteile fertigen lassen will.

Wenn funktionale Prototypen metallischer Bauteile zum Testen aus Metall hergestellt werden sollen, stand bisher der Metall-3D-Druck als schnelle Fertigungsmethode zur Verfügung (neben Fräsen und Schweißkonstruktionen für einfachere Bauteilgeometrien). Mit dem 3D-Sanddruck ist ein dritter Weg dazugekommen. 3D-Sanddruck (oder „Printed Casting“) ist ein Hybridverfahren, dass viele Vorteile des 3D-Drucks mit traditionellem Guss verbindet.

Zwei Verfahren erklärt

Das für Prototypen am häufigsten angewandte Metall-3D-Druck-Verfahren, das Selective Laser Sintering (SLS oder auch SLM für Selective Laser Melting), baut das Bauteil aus einem Metallpulverbett auf, in dem schichtweise und gezielt Pulver mittels eines Lasers verschmolzen wird.

Beim 3D-Sanddruck wird nicht das Bauteil gedruckt, sondern die Sandform zum traditionellen Abguss in der Gießerei. Das passiert mittels eines Binder-Jetting-Verfahrens, bei dem die Form durch selektives Auftragen eines Bindemittels (meist Furanharz) aus einem Sandbett aufgebaut wird. Die Druckverfahren ähneln sich also. Der Aufbau aus einem Pulverbett hat gegenüber anderen additiven Verfahren den Vorteil, dass das Pulver-/Sandbett die Stützstruktur liefert, weshalb keine separaten Stützen „mitgedruckt“ und später entfernt werden müssen.

Weitere Ähnlichkeiten sind die enorme Gestaltungsfreiheit und die Geschwindigkeit und Flexibilität die mit dem werkzeuglosen Verfahren einhergehen. Funktionsintegration, bionische Formen, Topologieoptimierung, schnelles Iterieren von Design-Variationen – fast alles ist möglich und erfreut Entwicklungsteams. Es gibt aber auch entscheidende Unterschiede, die Konstrukteur*innen geschickt ausnutzen können.

Prototypen im richtigen Material

Beim 3D-Sanddruck ist nur die Formherstellung unkonventionell. Das resultierende Bauteil unterscheidet sich in seinen Eigenschaften nicht von einem traditionell mit Modell hergestellten Gussteil (außer gegebenenfalls in der Tatsache, dass seine komplexe Geometrie mit den Beschränkungen des Prozesses mit Modell so nicht herstellbar wäre). Metall-3D-Druck-Teile hingegen haben sehr spezifische mechanische Eigenschaften, die wir zwar immer besser verstehen, die sich aber oft stark von Gusswerkstoffen unterscheiden.

Wenn also das spätere Bauteil als Gussteil hergestellt werden soll – wegen der mechanischen Eigenschaften von Gusswerkstoffen (etwa Schwingungsdämpfung beim Eisenguss) oder aus betriebswirtschaftlichen Gründen – dann kann es vorteilhaft sein, auch funktionale Prototypen schon als Gussteil herzustellen.

Extra Flexibilität bei Werkstoffen und Lieferanten

Die Materialauswahl ist beim Guss in der Regel größer und umfasst zudem vertraute Werkstoffe, über die gute Daten und Erfahrungswerte vorliegen. Alles, was in Sandformen gegossen werden kann, ist hier möglich.

Ein weiterer Vorteil des 3D-Sanddrucks ist dabei, dass die Formen bei verschiedenen Lieferanten abgegossen werden können. So könnte man sich vorstellen, dass ein aus Gewichtsgründen als Aluminiumteil konzipiertes Bauteil zuerst bei einer Alu-Gießerei in gedruckter Sandform abgegossen wird und dann nach einer schnellen Topologieoptimierung zum Vergleich ebenfalls mit 3D-Sanddruck bei einem anderen Lieferanten in Eisenguss gefertigt wird.

Die Auswahl an Metallpulvern/Werkstoffen für SLS nimmt zwar stetig zu, ist aber im Vergleich zur Vielfalt an Gusswerkstoffen und Speziallegierungen begrenzt. Zwischen Werkstoffen umschalten kann Metall-3D-Druck natürlich genauso leicht wie der 3D-Sanddruck (unter Umständen sogar beim gleichen Lieferanten).

Wenn‘s größer sein darf

Ein weiterer Vorteil des 3D-Sanddrucks ist, dass auch recht große Gussteile gefertigt werden können. Sandformen werden routinemäßig mehrteilig gedruckt, um auch Formen zu erstellen, die den Bauraum des 3D-Sanddruckers sprengen. Das resultierende Teil ist trotzdem aus einem Guss.

Beim Metall-3D-Druck kann der Bauraum des Druckers in der Regel nicht überschritten werden. Große Teile entstehen im Metall-3D-Drucker zudem nur sehr langsam und sind um einige Größenordnungen teurer als der 3D-Sanddruck.

Geschmeidig in die Serie

Nicht zuletzt ist der 3D-Sanddruck eine hervorragende Brücke vom Prototypen in die Serienproduktion. Nicht nur weil der so gefertigte Prototyp in seinen Eigenschaften sofort näher am realen Bauteil dran ist, sondern weil sich 3D-Sanddruck auch prima für Anlaufserien eignet und für Kleinserien sogar als finales Fertigungsverfahren wirtschaftlich sein kann.

Im Falle von Anlaufserien kann dank 3D-Sanddruck schon losproduziert werden, während für die Volumenproduktion noch die Modelle gebaut werden.

Fazit

3D-Sanddruck verbindet die Vorteile additiver Fertigung mit vertrauten Werkstoffen. Für die Prototypen-Produktion hat das einen entscheidenden Vorteil: Es verbindet Gestaltungsfreiheit und Flexibilität mit Realitätsnähe – für eine effizientere Produktentwicklung.

Die Vorteile des 3D-Sanddrucks gehen aber weit über die Prototypenphase hinaus. Auch für komplexe, anspruchsvolle Finalbauteile, die man bisher nur direkt drucken konnte, gilt jetzt: wenn Guss gewünscht ist, kann er auch ohne Modell, ohne endlose Vorlaufzeiten, aber dafür mit Präzision, Gestaltungsfreiheit und Flexibilität gefertigt werden.

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