Sandformen für Fahrwerksschwingen: Die Freiheiten des 3D-Drucks

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Sandformen für Fahrwerksschwingen: Die Freiheiten des 3D-Drucks

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Der Landmaschinenhersteller Amazone nutzte Simulationssoftware von Altair und 3D-Druck von Voxeljet für die Optimierung einer Fahrwerksschwinge. Die Lösungen unterstützten das Unternehmen, das Bauteil leichter und kostengünstiger zu machen, ohne dabei Abstriche an der Stabilität in Kauf nehmen zu müssen.
Sandformen

Quelle: Voxeljet

Der deutsche Landmaschinenhersteller Amazone konnte 18 Prozent Gewicht bei der Herstellung eines Prototyps für neuartige Fahrwerksschwingen einsparen. Denn der Familienbetrieb aus Hasbergen bei Osnabrück druckte die Sandformen und -kerne für den Metallguss kurzerhand mit dem industriell weltgrößten 3D-Drucker für Sandformen von Voxeljet, der VX4000 – ganz ohne teure Spezialwerkzeuge und nur mit einer CAD-Datei.

3D-Druck mit Sandformen: Innovationen für die Landwirtschaft

Unaufhaltsam schreitet die Evolution der Eggen voran, die Landwirte mit dem Traktor ziehen, um den Boden aufzulockern und auf das Säen vorzubereiten. Hersteller sind stets darum bemüht, die Geräte stabiler, langlebiger und gleichzeitig leichter zu machen, um beispielsweise die zulässigen Achslasten bei der der Straßenfahrt einzuhalten. Unter ihnen Amazone, ein Familienunternehmen aus Hasbergen bei Osnabrück, das die Kompaktscheibenegge Catros mit Schwenkfahrwerk produziert. Dabei handelt es sich um ein gezogenes Gerät, das am Schlepper befestigt wird und in unterschiedlichen Konfigurationen zum Einsatz kommen kann. Die Kompaktscheibenegge wird für die flache und intensiv mischende Bodenbearbeitung eingesetzt, für eine Arbeitstiefe von bis zu 15 Zentimetern.

Sandformen
Bild 1: Die fertige Gussform und -kerne aus Quarzsand treffen bei Pro Cast Guss ein. Die Gießerei aus Gütersloh ist für den Guss der Fahrwerksschwinge verantwortlich.

Guss-Design nach Leichtbauweise

Die Fahrwerksschwinge verbindet das Gerät mit der Achse, um einen Transport des Gerätes vom Hof zum Feld zu ermöglichen. Die ursprüngliche Schweißkonstruktion mit einem Gewicht von 245 Kilogramm und einer Schweißnahtlänge von 16,5 Metern war sehr komplex und fertigungsintensiv. Um Kosten zu reduzieren und das Bauteil stabiler und leichter zu gestalten, hat sich Amazone dazu entschieden, die Fahrwerksschwinge durch eine Gussbaugruppe zu ersetzen. Mithilfe der Topologie-Optimierungssoftware „Inspire“ von Altair konnte das Entwicklerteam von Amazone ein lastgerechtes und gießfähiges Design ableiten.

Sandformen
Bild 2: Der Brennprozess in vollem Gange: Im Inneren der Gussformen erstarrt das flüssige Metall schließlich zum Bauteil.

Leichter, stabiler und langlebiger

Durch die kraftgerechte Verteilung des Materials ist die gegossene Schwinge über 45 Kilogramm leichter als die Schweißbaugruppe. Durch diese Aussparungen erhält die Form eine Optik, die an Baum-strukturen oder Vogelknochen erinnern. Gleichzeitig sorgt die neue Formgebung für eine um 272 Prozent längere Lebensdauer, da das Design Steifigkeitssprünge in dem Gussbauteil im Vergleich zur Schweißbaugruppe vermeidet. Um die Materialgüte zu gewährleisten, haben die Experten von Altair mit der Inspire-Software zudem die Strömungen des Metalls während des Gießens simuliert. So konnten sie die Gefahr interner Defekte durch eingeschlossene Gase schon vor dem eigentlichen Gießprozess senken und damit die Qualität der Gussteile optimieren.

Gussformen
Bild 3: Nachdem Mitarbeiter die Gussform entfernt haben, kommt die Fahrwerksschwinge inklusive Speisern zum Vorschein.

Sebastian Kluge von Amazone: „Dank der optimierten, lastgerechten Gestaltung der Gussausführung konnte für die dritte Evolutionsstufe der Heckschwinge eine Erhöhung der Lebensdauer um einen Faktor 2,5 bei einer gleichzeitigen Gewichtsreduktion um circa 18 Prozent um Vergleich zur Schweißbaugruppe, erzielt werden.“ Das Erstellen der Sandform mittels 3D-Druck ermöglicht eine schnelle Beschaffung von Prototypenbauteilen und somit eine starke Reduzierung von Entwicklungszeiten.

Zeitersparnis durch 3D-Druck

Die Herstellung von Gussformen für ein solches komplexes Bauteil ist in der Regel zeitaufwändig – unter anderem, weil aufwändige Spezialwerkzeuge notwendig sind. Deswegen hat Altair umgedacht und auf die VX4000 von Voxeljet gesetzt – ein 3D-Drucksystem mit einem Bauraum von 4.000 x 2.000 x 1.000 Millimetern. „Dabei handelt es sich um den größten industriellen 3D-Drucker der Welt für Sandformen“, sagt Tobias King, Director Marketing & Application bei Voxeljet. „Da der Aufwand des 3D-Drucks unabhängig von der Komplexität des Bauteils ist, lassen sich selbst schwierige Geometrien kostengünstig realisieren.“

Sandformen
Bild 4: Bei der mechanischen Nachbearbeitung nimmt die Fahrwerksschwinge langsam ihre endgültige Gestalt an.

Aufwändige Strukturen: Designfreiheit und 300 dpi-Auflösung

Voxeljet hat die CAD-Datei des Bauteils zunächst in eine negative CAD-Datei umgewandelt, um die vierteilige Gussform digital darzustellen. Mit diesen Daten haben die Mitarbeiter das 3D-Drucksystem gefüttert. Dann begann der Druck. Dabei breitet ein sogenannter Beschichter das Druckmaterial (Quarzsand) auf der Bauplattform aus. Anschließend fährt der Druckkopf über die Plattform und bindet die Sandkörner mit einem Bindemittel zusammen – entsprechend der Objektgeometrie aus der CAD-Datei. Dabei arbeitet der Druckkopf mit einer Auflösung von 300 dpi. Während die Bauplattform selbst statisch bleibt, erhöhen Beschichter und Druckkopf sukzessive ihre Arbeitshöhe um 300 Mikrometer, solange, bis die Gussform fertig ist.

Gussformen
Bild 5: Die fertige Fahrwerksschwinge fertig zum Transport.

Sandformen sind nach dem Druck sofort einsatzbereit

Nach Abschluss des Druckvorgangs entfernen Mitarbeiter die mitgedruckten Seitenwände der Bauplattform und lösen den unverdruckten Quarzsand. Übrig bleibt die Gussform, die sofort verwendbar ist. Die Gießerei (Pro Cast-Guss aus Gütersloh) versieht die Gussform im Anschluss lediglich mit einer Schlichte – eine Sperrschicht zwischen Sand und Metall, welche die Gussform vor der thermischen Belastung schützt. Trotz alledem ist die Form nach dem Gießen verloren – genau wie klassische Gussformen (Sandform). Sie wird beim Entkernen der gegossenen Fahrwerksschwinge zerstört. Dank der vorherigen Click2Cast-Guss-Simulation im Rechner verlief der Guss beim ersten Mal in Originalgröße optimal.

Von Frederik von Saldern.

Lesen Sie auch: Wearable-Plattform: Wo Elektronik mit 3D-Druck in den Ärmel kommt

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