Vaupell spart mit 3D Systems Zeit und Geld beim Feinguss.

Das konventionelle Feingussverfahren – die Herstellung von Metallteilen über eine keramische Form, bei der das Wachs weggebrannt wurde – gibt es schon seit mehr als 5.000 Jahren. Im Laufe des letzten Jahrhunderts hat der Prozess von vielen Innovationen profitiert. Dennoch ist es immer noch langsam und kostspielig, diese Art von Werkzeugen für komplexe Teile herzustellen. Die Produktionszeit wird typischerweise in Monaten gemessen, und die Kosten können in die Hunderttausende von Dollar gehen.

Vaupell ist seit 70 Jahren als Zulieferer von Komponenten und Unterbaugruppen für die Luft- und Raumfahrt tätig und seit mehr als 20 Jahren im 3D-Druck aktiv. Wenn man Vaupell als exemplarisch ansieht, ändern sich die Arbeitsabläufe derzeit rasant.

Vaupell nutzt QuickCast^®, das Stereolithografieverfahren (SLA) von 3D Systems für den Feinguss, und bietet seinen Kunden unerreichte Geschwindigkeit und Qualität zu einem Bruchteil der Kosten konventioneller Methoden. Das QuickCast-Verfahren ist ideal für die Luft- und Raumfahrtbranche, die oft geringe 
Stückzahlen von hochkomplexen Teilen benötigt.

Andy Reeves, Vertriebsingenieur für den Bereich Geschäftsentwicklung bei Vaupell, schätzt, dass eine bestimmte Teileform mit einem Durchmesser von 26 Zoll mit QuickCast auf einem 3D Systems ProX^® 800 in zwei bis drei Tagen für etwa 6.000 bis 15.000 US-Dollar hergestellt werden kann. Ein Wachswerkzeug für das gleiche Teil könnte mehrere Monate oder mehr als ein Jahr benötigen, bei Kosten von 200.000 bis 300.000 US-Dollar.

Der ProX 800 verfügt über einen großen Druckbereich von 650 x 750 x 550 mm (25,6 x 29,5 x 21,65 Zoll) und bietet damit die Flexibilität und Geschwindigkeit für den Druck eines einzelnen großen Teils oder für die schnelle Herstellung mehrerer Teile.

„Die große Bauplattform ist ein wichtiger Vorteil gegenüber anderen Geräten", sagt Austin Wong, Rapid Prototyping Manager bei Vaupell. „Sie können ein größeres Teil in einem Durchgang herstellen. Bei einem kleineren Gerät würden Sie zwei Durchgänge benötigen. Sie produzieren nicht nur mehr in kürzerer Zeit, sondern reduzieren mit größeren Teilen auch die Arbeitskosten – je weniger Teile, desto weniger Schweißnähte."

Die Genauigkeit des ProX 800 – 0,025 bis 0,05 mm (0,001 bis 0,002 Zoll) pro Zoll der Teileabmessung – ermöglicht es Vaupell, die anspruchsvollen Anforderungen seiner Kunden aus der Luft- und Raumfahrt zu erfüllen.

„Der ProX 800 ermöglicht uns qualitativ hochwertige Seitenwände, bessere Toleranzen und diese große Druckplattform", sagt Wong. „Wir sparen Zeit bei der Nachbearbeitung nach dem Druck, weil die Oberfläche der Harze so gut ist. Wir sparen außerdem Zeit, weil wir die Teile nicht in zwei Teilen bauen und miteinander verbinden müssen."

Laut Reeves ergibt sich der Markt für den QuickCast-Feinguss aus zwei wesentlichen Anforderungen: aus der Herstellung von Formen für Teile, die auf andere Weise nicht hergestellt werden können, und aus der Herstellung von Formen für Teile, die so kompliziert sind, dass die Entwicklung einer produktionsreifen Form einige Jahre dauern würde.

Unternehmen der Luft- und Raumfahrt haben erkannt, dass der 3D-Druck komplexe Designs ermöglicht, mit denen sie die Anzahl der Teile in einer Baugruppe reduzieren und das Gewicht bei gleicher oder höherer Festigkeit und Langlebigkeit verringern können.„Viele dieser Teile kommen in Düsenturbinen zum Einsatz, wo sie absolut perfekt sein müssen", sagt Wong. „Einige der entsprechenden Konturen mit einem Wachswerkzeug zu formen, wäre sehr teuer und würde lange Vorlaufzeiten erfordern."

Der Bedarf an produktionstauglichen Formen, deren Konstruktion und Herstellung mit Wachs viel Zeit in Anspruch nehmen würde, hat der Abteilung für die schnelle Prototypenerstellung von Vaupell mit Sitz in Hudson, New Hampshire, beträchtliche Umsätze mit Brückenwerkzeugen beschert.

„Mit QuickCast-Modellen erhalten unsere Kunden ein Teil, lange bevor ein Produktions- oder Prototypwerkzeug entworfen, hergestellt, getestet und online verfügbar gemacht werden kann", sagt Wong.

Wong führt ein Projekt an, bei dem Vaupell mithilfe von QuickCast ein komplexes Gussmodell erstellte und 20 Teile in nur zweieinhalb Tagen produzierte. Die Menge konnte schnell auf 120 Teile pro Monat gesteigert werden.

„Der Kunde wäre nicht in der Lage gewesen, den Vertrag zu erfüllen, wenn wir nicht QuickCast für die Lieferung der Teile verwendet hätten. Manchmal produzieren wir im Laufe eines Jahres pro Monat 150 Teile von zwei oder drei QuickCast-Formen, während der Kunde noch mit der Entwicklung und der Herstellung von Wachswerkzeugen beschäftigt ist."

Eine der großen Herausforderungen beim Feinguss ist die Berechnung der Schrumpfung während der Fertigung. Diese wird durch QuickCast erheblich vereinfacht.

„Ein großer Vorteil von QuickCast gegenüber dem Wachsformenbau ist, dass Sie nur die Metallschrumpfung berechnen", sagt Wong. „Sie berechnen nicht die Schrumpfung des Metalls und zusätzlich die des Wachses. QuickCast-Modelle sind viel genauer und können eine engere Toleranz einhalten als jedes Wachswerkzeug."

Laut Reeves ist der QuickCast-Prozess insgesamt viel weniger fehleranfällig. Wenn es einen Fehler in der Anordnung gibt oder sie nicht wie erwartet funktioniert, dauert es nur ein paar Tage, um eine neue Version zu erstellen und zu drucken – im Gegensatz zu den Wochen oder Monaten, die mit der Modifizierung (oder Neuherstellung) einer Wachsform verbunden sind.

Für Prototyping-Anwendungen ist die Iterationsmöglichkeit durch QuickCast so entscheidend, dass sich viele konventionelle Feinguss-Unternehmen ganz aus dem Prototyping-Geschäft zurückgezogen haben.

„Es ist wirtschaftlich nicht sinnvoll, einen iterativen Designprozess mit konventionellen Wachsformen durchzuführen", sagt Reeves. „Für das iterative Design ist QuickCast wirklich bestens geeignet – sowohl bei der Teile- als auch der Prozessentwicklung."

In den frühen Tagen des 3D-Drucks waren die Qualität und die Eigenschaften der verfügbaren Materialien ein großes Problem beim Feinguss. Mit Werkstoffen wie Accura^® CastPro™ Free von 3D Systems ist dieses Problem inzwischen gelöst.

CastPro Free ist ein transparenter, polycarbonatähnlicher Werkstoff, der frei von Schwermetallen ist. Er ist ein hochpräzises Material für stabile, hochwertige Gussmodelle.

„Da CastPro Free antimonfrei ist, entstehen beim endgültigen Guss des Metalls keine Verstopfungen und andere Fehler", sagt Dave Pellegrino, Advanced Manufacturing Technology Manager bei Vaupell.

CastPro Free wird mit einem geringeren Aschegehalt ausgebrannt als alle bisherigen Harze auf dem Markt. Dies spart Zeit bei der Nachverarbeitung und gewährleistet gleichzeitig eine höhere Qualität.

„Wenn das Harz nicht vollständig ausgebrannt werden kann, hat der Kunde ein Problem", sagt Wong. „Das vollständige Ausbrennen und die Sauberkeit des Ausbrennens mit CastPro Free sind definitiv der Schlüssel zur Qualität."

Abgesehen von den technischen Möglichkeiten des ProX 800 3D-Druckers, des QuickCast-Prozesses und der Materialien kann Vaupell auf eine 20-jährige Partnerschaft mit 3D Systems bauen. So kann das Unternehmen sichergehen, dass die Servicequalität erreicht wird, die seine Kunden erwarten.

„Bei der additiven Fertigung kommt es darauf an, wer schneller, besser und wer günstiger arbeitet", sagt Wong. „Vaupell konzentriert sich auf Geschwindigkeit und Qualität. Sofern es sich nicht um ein besonders großes Teil handelt, versprechen wir eine Lieferung in ein bis drei Tagen. Die zeitnahe Unterstützung durch 3D Systems stellt sicher, dass wir dieses Versprechen einhalten."