Gegossene Ersatzteile additiv herstellen

Der Einsatz der Benninger Guss AG zeigt anschaulich, wie sich eine digitale Prozesskette mit dem Binder Jetting Verfahren und Sandguss kombinieren lässt, um schnell und kostengünstig Ersatzteile für komplexe und grosse Geometrien herzustellen - und wurde daher im Swiss AM Guide 18 vorgestellt.

Langlebige Komponenten haben den Anspruch, über einen langen Zeitraum störungsfrei zu arbeiten. Im Schadensfall garantiert der Hersteller in der Regel die Versorgung mit Ersatzteilen - zum Teil über Jahrzehnte. Eine schnelle Produktion von Ersatzteilen ist unerlässlich, um den Betrieb so schnell wie möglich fortsetzen zu können. Gerade bei größeren Bauteilen mit komplexen Geometrien ist es wichtig, Ersatzteile schnell und kostengünstig zu liefern. Bei älteren Gussteilen ist oft kein Modell (Werkzeug) mehr vorhanden und Zeichnungen sind nicht mehr gültig oder nicht mehr verfügbar. Dennoch sollte das Ersatzteil den heutigen Qualitätsanforderungen entsprechen.

 

Herstellung von Ersatzteilen für Turbolader

Ein solches Szenario gilt beispielsweise für Turbolader von Schiffsdieselmotoren. Für diese Anwendung wurde die Benninger Guss AG mit der Herstellung von Ersatzteilen für Turbolader beauftragt. In diesem Fall wurde das Originalbauteil Anfang der 80er Jahre im konventionellen Sandgussverfahren mit Modell hergestellt. Die Abmessungen des Bauteils betragen 1200 x 800 x 640 mm bei einer Masse von ca. 200 kg. Für das Teil stellte der Kunde ein Referenzteil sowie 3D-Daten aus den Originalzeichnungen zur Verfügung. Auf dieser Basis wurde die Benninger Guss AG beauftragt, ein komplett bearbeitetes, einbaufertiges Ersatzteil herzustellen. Um dieses Problem schnell und kostengünstig zu lösen, setzte die Benninger Guss AG das folgende Verfahren ein:

 

Herstellungsprozess

Die vorhandenen Zeichnungen und das 3D-Modell des Kunden dienten als Ausgangspunkt für die Rekonstruktion der Teilegeometrie. Mit einem berührungslosen und tragbaren 3D-Scanner hat die Benninger Guss AG die Geometrie des Referenzteils erfasst, ohne das Bauteil zerstören zu müssen. Für das Reverse Engineering wurden das aus den Scandaten generierte 3D-Modell und das vom Kunden bereitgestellte 3D-Modell überlagert und miteinander verglichen. Die mit einer Farbkarte dargestellten Abweichungen und Ungenauigkeiten wurden in mehreren Schritten verglichen und korrigiert. Das daraus resultierende 3D-Modell wurde vom Kunden für die Produktion freigegeben.

Basierend auf der rekonstruierten Teilegeometrie erstellte der Gusstechniker das Gießform, Abfüll- und Zuführsystem. Die Herausforderung bestand zunächst darin, ein einwandfreies Gussteil herzustellen. Dazu wurden Formfüll- und Erstarrungssimulationen durchgeführt, um den Gießprozess für die komplexe Geometrie zu analysieren. Die erzielten Ergebnisse führten zur endgültigen Auslegung der Gießanlage. Ausgehend von der Teilegeometrie und dem endgültigen Gießsystem wurden dann die einzelnen Formteile konstruiert. In diesem Fall waren vier Teilformen notwendig: Eine Grundplatte, ein Zwischenstück, ein Deckel und ein Kern.

Ein ExOne S-Max Drucker mit einem maximalen Bauvolumen (Jobbox) von 1.800 x 1.000 x 700 mm wurde für die Herstellung der einzelnen Teilformen mittels Bindemittelstrahlverfahren von Quarzsand eingesetzt. Bei diesem additiven Herstellungsverfahren wird über einen Druckkopf ein Bindemittel auf ausgewählte Bereiche des Quarzsandes aufgebracht. Nach dem Druckvorgang wurden die einzelnen Formteile aus dem Bauvolumen entfernt und die Formteile von losem Pulvermaterial getrennt.

Die gereinigten Formteile wurden dann zusammengefügt und zu einer kompletten Form zusammengesetzt. Die nachfolgenden Produktionsschritte sind die gleichen wie beim konventionellen Sandgussverfahren. Die Schmelze wurde in die vorbereiteten Formen gegossen. Für Turboladerteile wird eine spezielle temperaturbeständige Legierung verwendet. Für die Endbehandlung wurden die Rohgussteile gestrahlt, verputzt, grundiert und mechanisch bearbeitet. Das einbaufertige Ersatzteil kann dann zusammen mit den Prüfzeugnissen geliefert werden.

 

Vorteile des additiven Verfahrens – Zeitersparnis und geringere Kosten

Das beschriebene Verfahren bietet viele Vorteile bei der Herstellung von Ersatzteilen. Der Einsatz des Binderstrahlverfahrens ermöglicht es, Bauteile mit komplexen Geometrien schnell und kostengünstig herzustellen. Im obigen Beispiel wurde die Durchlaufzeit gegenüber dem herkömmlichen Verfahren um 26 Arbeitstage auf 70 Arbeitstage reduziert. Diese Zeitersparnis ist besonders wichtig vbei der Ersatzteilversorgung. In diesem Fall könnte ein Frachtschiff viel früher wieder in Dienst gestellt werden.

Unter der Annahme, dass ein Modell (Werkzeug) für die Herstellung eines komplexen Bauteils nicht mehr zur Verfügung steht, bietet das beschriebene additive Verfahren erhebliche Kostenvorteile gegenüber dem konventionellen Herstellungsverfahren. Im vorliegenden Fall beträgt die Ersparnis CHF 54'000.00 gegenüber der konventionellen Methode (insgesamt CHF 80'000.00, wovon das Modell CHF 67'500.00 kostet). Die Gewinnschwelle, d.h. die Menge, bei der das konventionelle Verfahren billiger wird, würde in diesem Fall bei ca. 16 Ersatzteilen eintreten!

 

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Anwendungsbereich:
Maschinenbau und Automatisierungstechnik

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Manuel Biedermann

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