Feingussteile aus dem 3D-Drucker II

  • Hallo allerseits,


    neben dem kürzlich geschilderten 3D-Drucken von Formen für Wachsmodelle gibt es eine weitere Möglichkeit, Modelle für Feingussteile ohne aufwändig CNC-gefräste Aluminiumformen herzustellen: direkter 3D-Druck.


    Obwohl ich von dieser Möglichkeit schon seit Längerem wusste, bewog mich erst ein Gespräch bei der Dampf-Olympia, diese Methode auszuprobieren. Es gab zwei Gründe für mein Zögern:


    1. Man kann keine üblichen 3D-Druck-Filamente wie PLA oder ABS verwenden, da diese nicht wie Wachs im Druckkessel bei rund 150 °C ausschmelzen, sondern erst beim Brennen der Keramikform verbrennen, dabei Rückstände -> Fehler hinterlassen und sogar die Gefahr mit sich bringen, durch ihre beträchtliche thermische Ausdehnung die Form zu sprengen (ist in “meiner” Gießerei schon passiert). Deshalb muss man speziell entworfene und optimierte Filamente verwenden, die zwar auch nicht zusammen mit dem Wachs ausschmelzen (gedruckt werden sie bei +- 210 °C), jedoch beim Verbrennen kaum Asche hinterlassen (die neuesten nur 0,003 %) und sich nur minimal ausdehnen. Sie sind jedoch recht teuer, und obwohl man die Modelle praktisch hohl, nur mit einer lichten inneren Stützstruktur drucken kann (so wie die meisten 3D-Drucke), verteuert sich (zumindest für mich) ein Gussteil je nach Form des Teils und Infill-Anteil um 30 – 60 Prozent.
    2. Beim 3D-Drucken mittels FDM-Verfahren in einzelnen Schichten zu je 0,1 mm entstehen in Z-Richtung feine Rippen, an leicht von der Horizontale geneigten Flächen regelrechte Stufen, und sogar auf horizontalen Flächen sind die einzelnen Spuren des Druckkopfes zu erkennen. Da am fertigen Gussteil auch nach dem Sandstrahlen schon geringste Kratzer auf dem Modell sichtbar bleiben (vor allem, wenn man das Gussteil blank bürstet), muss man das Modell glätten, will man eine glatte Oberfläche haben. Da es sich um “Plastik” handelt, kommt maschinelles Schleifen aufgrund der geringen Wärmeableitung nicht in Frage, das Material wird sofort weich. Man muss es also manuell schaben, ggf. feilen oder schmirgeln, je nach Größe, Form und gewünschter Oberflächenqualität kann das auch mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Im Gegensatz zum Sandgussverfahren muss für jedes Exemplar des gleichen Teils ein eigenes Modell gefertigt werden, das läppert sich.

    Wie schon beim “Eintritt in die 3D-Welt” kam mir ein Zufall zur Hilfe: Der örtliche 3D-Laden hatte ein Warenmuster von Moldlay, einem der drei mir bekannten Filamente dieser Art. Ich druckte also erst mal einige Testteile zum Ausprobieren, was man sich erlauben kann, darunter auch dieses Modell für einen Achslagerblock:


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    So richtig glücklich war ich mit dem gedruckten Modell nicht - allzu viele Oberflächenfehler, vielleicht verursacht durch Feuchte im Material (es ist hygroskopisch, ich hätte es wohl erst trocknen sollen). Was aber schlimmer ist: Die an Plastikdosen erinnernde Beschaffenheit des Moldlay macht das Glätten sehr schwierig. Ich musste beim Schaben relativ viel Kraft aufwenden, unter der sich dünnere Wände der Testteile verbogen – sie ließen sich zwar zurückbiegen, wurden jedoch nicht mehr wirklich eben.


    Das finale Gussteil zeigt gnadenlos alle Fehler des Modells, seine Detailtreue im Vergleich zu dem von einem Wachsmodell gegossenen Pendant (mit Streichholzschachtel) ließ mich jedoch staunen:


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    Motiviert durch das Ergebnis, äußerst spärliche Informationen im Internet und Auskünfte vom alternativen europäischen Anbieter beschloss ich, eine 3-kg-Spule Polycast zu bestellen (kleinere wurden nicht angeboten, sollen aber kommen).


    Die Investition hat sich gelohnt, Polycast hat mich begeistert: Es ist merklich härter und etwas spröde, lässt sich also ähnlich leicht schaben wie z.B. Gießereiwachs, ohne dass man befürchten muss, das Teil zu verbiegen (erprobte Mindeststärke: 0,8 mm). Zudem kann man es mit Alkohol kleben, wobei die Verbindung nicht sofort fest wird und die Teile sich noch zurechtrücken lassen (Moldlay kann man angeblich mit Sekundenkleber kleben, da ist Richten nach dem Zusammenfügen wohl kaum möglich). Dies eröffnet die Möglichkeit, auch komplizierte Teile herzustellen, für die sich eine Form für ein herkömmliches Wachsmodell gar nicht herstellen ließe. Wachs kann man zwar mit einem Lötkolben schweißen, der Arbeitsaufwand für das Nacharbeiten der Nähte (sollen sie nicht zu erkennen sein) ist jedoch immens. Die Passgenauigkeit der Klebungen lässt sich leicht durch Stifte (einfach Stücke des Filaments) gewährleisten, die entsprechenden Öffnungen werden vorgedruckt und dann auf Maß gebohrt. Leider erst nach einigen gedruckten Modellen kam mir die Idee, entlang der Kanten von zu klebenden Flächen einen kleinen äußeren Grat vorzusehen: nach dem Kleben schabt man ihn ab und die Klebenaht ist am Gussteil nicht mehr zu erkennen.


    Etwas widerspenstig zeigt sich Polycast beim Drucken. Bei "Leerfahrten" des Druckkopfes zwischen unterschiedlichen Druckbereichen (zuerst werden die Perimeter - äußeren Flächen gedruckt, dann erst Infill) oder mehreren Teilen zieht das Material Fäden:


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    Trotz einigem Experimentieren mit Drucktemperatur, Kühlung und Retraction (Zurückziehen des Filaments bei Leerfahrten) ist es mir nicht gelungen, dieses Stringing zu eliminieren. Das Beseitigen der Fäden nimmt zwar einige Zeit in Anspruch, ist jedoch machbar.


    Bislang keine Lösung gefunden habe ich jedoch für folgendes Problem: Ist die zu druckende Fläche einer Schicht so klein, dass die notwendige Zeit unter 20 Sekunden sinkt, senkt die SW die Druckgeschwindigkeit (Vorschub und Fördergeschwindigkeit), damit die gedruckte Schicht auskühlen kann, bevor die nächste draufkommt. Das scheint Polycast nicht zu vertragen, es bilden sich so massiv Bläschen, dass der Druck regelrecht in die Hosen gehen kann:


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    Es ist durchaus möglich, das dies durch Feuchte im Material verursacht wird. Ich werde das noch untersuchen und vielleicht in eine spezielle Box mit Feuchtigkeitsanzeige investieren, in der man mit Hilfe von Silicagel das Filament trocken halten kann.


    Der Vollständigkeit halber: Das dritte Material für Feingussmodelle wird von machinablewax.com in den USA vertrieben, deshalb für Kleinlieferungen an Endkunden in Europa nicht interessant.


    Die beiden großen Unbekannten beim Herstellen von Gussteilen:

    1) Fließt das Metall überall rein, und

    2) wie sehr wird es schrumpfen?


    Edelstahl ist wesentlich dünnflüssiger als schwarzer Stahl, also klare Wahl (hier 1.4301, den die Gießerei sehr oft gießt). Die Schwindung wird allgemein mit 1,6 % angegeben, ist jedoch stark von Form und Wandstärke des Teils abhängig. Beim Abkühlen findet aufgrund unterschiedlicher Ausdehnung ein Kräftemessen zwischen Keramikform und Metall statt; wird das Metall durch innen liegende Formbereiche festgehalten, schrumpft es z.B. kaum in der Länge und statt dessen in der Wandstärke.


    Aus diesem Grund wählte ich für die zweite Tranche Gussteile, bei denen Maßhaltigkeit für den Einsatz nicht so wichtig ist, sowie einige typische Formen, um daran das Schrumpfverhalten zu testen und auszuprobieren, was überhaupt geht. Alle Modelle machte ich mit den angegebenen +1,6 %, die fertigen Teile sind jetzt größer als erwünscht. Nach Abklopfen der Keramikform werden die Teile in der Gießerei sandgestrahlt, das hinterlässt eine stumpfe, fast mineralisch wirkende Oberfläche (Zustand auf den Fotos), die man durch Bürsten auf “normales”, glänzend metallisches Aussehen bringen kann (wobei jedoch etwaige Oberflächenfehler um so mehr hervortreten). Was für eine Oberflächenbehandlung für ein akzeptables Erscheinungsbild fertig angestrichener Teile notwendig ist, muss ich erst noch ausprobieren. Außer Fehlern, die schon an den Modellen waren, sind an manchen Stellen der Teile scharfkantige Vertiefungen zu sehen, verursacht durch Keramikkrümel, die sich beim Gießen immer mal lockern und dann irgendwo in der Form an einer Oberfläche angeschwemmt kleben bleiben – damit muss man leben.


    Hier nun meine Gussteile in rohem Zustand direkt aus der Gießerei, noch mit Angüssen:


    1. Bremszylinder mit Deckel, Bremshebel und Bremswellenlager


    Diese Teile sind total unkritisch und können problemlos verwendet werden, ob nun etwas mehr oder weniger geschrumpft. :


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    Der obere Flansch und der zugepfropfte Rohranschluss am Zylinder (der “echte” ist dann im Boden) wurden separat gedruckt und dann angeklebt. Die anderen Teile sind jeweils aus einem Stück, aus den Gabeln des Bremshebels wurden nach dem Drucken Hilfsstützen entfernt (man kann nicht in die Luft drucken). Alle hier sichtbaren Öffnungen wurden direkt gegossen (manche an einer Seite geschlossen, da dem Stahlfluss im Wege), von diversen durchgehenden Schraubenlöchern blieben jedoch nur die größten am Lager erhalten (D 3,6) , dafür jedoch einwandfrei. Die Rippen am Deckel sind nur 1,2 mm stark, zwei wurden durch das Sandstrahlen leicht verbogen. Hochgebogen haben sich durch das sukzessive Abkühlen von außen nach innen auch die Ecken am Zylinderboden, wurden später flachgeklopft. In die große Wellenbohrung des Bremshebels (D = 12 mm) ist Metall ausgetreten, wahrscheinlich war die Formmasse dort zwischen den einzelnen Tauchvorgängen nicht ganz ausgetrocknet. Erwartungsgemäß ist der Deckel stärker geschrumpft als der Zylinder.


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    Fortsetzung folgt (es passen nur 10.000 Zeichen in einen Beitrag :( )

  • 2. Vorderster Rahmenverbinder (Mittelteil “Lyra” + 1 Ausleger), Schwingenträger, Querwand der Rauchkammerstütze


    Diese Teile entstanden zum Testen der Schrumpfung und Erproben der Herstellung komplizierterer Modelle:


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    Schwingenträger und Lyra wurden aus Vorder- und Hinterseite zusammengeklebt (mit Passstiften), der Ausleger aus 3 Teilen (nachdem der Druck als ein Teil wiederholt misslungen war), die Querwand wegen der um 20° abgewinkelten unteren Bereiche und der äußeren Seitenflansche (auf der Unterseite) sogar aus 5 Teilen – letzteres hat nicht so genau geklappt, jetzt weiß ich aber, wie ich es nächstes Mal richtig mache :) Bis auf eine kleine Aussparung rechts im unteren Band des Schwingenträgers...


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    ... sind alle Teile fehlerfrei, dabei sind die Hauptflächen nur 2 – 3 mm stark. An der Lyra sind in den Innenecken zwischen Hauptfläche, Randbändern und Querrippen kleine Löcher zu verbliebenen Hohlräumen sichtbar, bedeuten jedoch kein Problem. Am wenigsten geschrumpft ist der Schwingenträger (0,6%), die anderen Teile um ca. 0,8%.



    3. Pufferkorb und Rippenzylinder


    Diese Teile habe ich nach dem Motto “Willy will´s wissen” kreiert, das Ergebnis hat mich sehr angenehm überrascht:


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    Der Pufferkorb wurde aus 3 Teilen geklebt (Korb aus 2 Hälften + Grundplatte), schon mit den o.a. Randgraten, so dass die Klebenaht nicht mehr zu sehen ist. Der Stahl floss ohne Widerrede in die nur 1,7 mm starken “Bleche”, eingespeist von oben und seitlich in die Grundplatte. Die Korbwände waren zwar fassförmig gewölbt (ob durch schrittweises Schrumpfen oder Sandstrahlen verursacht, weiß ich nicht), ließen sich jedoch problemlos flachklopfen.


    Der Rippenzylinder ist ein Versuch für die Verbund-Luftpumpe, deren Doppelzylinder man aus 13 x 2 achterförmigen Blechzuschnitten hartlöten müsste – hier genügte es, 14 Teile zusammenzukleben, wobei dies jedoch infolge von Aufweichen des Materials nach dem Bestreichen mit Alkohol nicht ideal gelang: durch den nicht mittig wirkenden Anpressdruck (Finger) war schon das Modell gekrümmt. Die Endrippen sind durch das Sandstrahlen regelrecht in Richtung Mittelebene “gerollt” (hier nicht zu sehen), müssten also durch zusätzliche “Opferrippen” geschützt werden. Das Wichtigste jedoch: in all die nur 0,8 mm starken Rippen (4 mm breit) ist der Stahl fehlerlos reingeflossen!



    Fazit: Diese Technologie bietet eine attraktive Möglichkeit, aufwändig geformte Teile mit minimalem Arbeitsaufwand “am Metall” herzustellen, und ist vor allem für Einzelteile vorteilhaft. Wie bei allem braucht man auch hier Erfahrung, will man kompliziertere und vor allem maßhaltige Teile herstellen. Für mich ist das erzielte Ergebnis ein großer Motivationsschub, jetzt habe ich das Gefühl, zumindest in Sachen Gussteile vom Experimentieren zur “Produktion” übergehen zu können, wobei natürlich jedes noch größere oder kompliziertere Teil weiterhin mit einem gewissen Kitzel verbunden bleibt.


    Soviel zu diesem Thema.


    Schöne Grüße...


    Kristian

  • Hallo Kristian,


    sehr respektable Ergebnisse, ich kann mir vorstellen, welche Ausdauer benötigt wird, um zu den von Dir erzielten Ergebnissen zu gelangen.

    Frage: Wieviel Zeit benötigt man , bis man eine (in meinem Fall Doppel-) Verbundluftpumpe - als Attrappe- als Gußteil in den Händen hält.

    Mit anderen Worten: Lohnt sich der Aufwand, erst ein Druckteil zu fertigen oder ist es- unter Berücksichtigung von Druckfehlschlägen etc. - dann nicht sinnvoller , im klassischen Sinne eine Fräsmaschine zu bemühen, insbesondere wenn man nur ein Teil benötigt?


    Gruß Kourosh

  • Hallo Kourosh,


    in Sachen Metallbearbeitung bin ich, zugegeben, noch recht unbedarft und respektbehaftet, und so stelle ich mir die spanende Herstellung von so etwas...


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    auf einer klassischen "Kurbelfräse" recht kompliziert/arbeitsaufwändig vor (selbst mit Rundtisch, den ich auch habe). Die erwähnte Alternative, den Körper aus gelaserten Blechen zusammenzulöten oder vielleicht auch nur zusammenzuschrauben, ist auch eine ziemliche Friemelei (von den nicht vorhandenen Gerätschaften mal abgesehen). Beim Umweg übers Gießen erledigt die Formgestaltung der 3D-Drucker, der praktisch die Rolle einer CNC-Maschine übernimmt, ich habe nur "Deppenarbeiten" zu tun - Oberflächen glattschaben, Teile zusammenkleben u.Ä., die je nach Fall wesentlich einfacher sind und weniger Zeit in Anspruch nehmen.


    Ja, Du hast Recht mit der Zweckmäßigkeit des doch nicht geringen Arbeitsaufwands für die Druckmodelle. In der Tat ist es manchmal schwierig zu entscheiden, in welcher Technologie ein Teil günstiger herzustellen ist. Soll ich einen kompliziert geformten Blechkasten aus 9 Blechzuschnitten und 2 "Klötzchen" zusammenschweißen und dann den Verzug richten, herausgedrückte Schweißnähte flach klopfen usw., oder lasse ich den Drucker ein Modell drucken, schabe es vielleicht 1 Stunde lang glatt und bekomme von der Gießerei das fertige Teil, wenn auch erst nach längerer Zeit und ein gutes Stück teurer? Diese Frage stelle ich mir bei jedem einzelnen Teil...


    Gruß

    Kristian

  • Hallo Kristian,


    Teile wie die abgebildete Pumpe lassen sich vermutlich nur mit einer 5 achs - Fräsmaschine einigermaßen vorbildgetreu - oder zumindest vorbildähnlich - herstellen, die ich natürlich nicht habe und selbst auch nicht programmieren kann, an entsprechenden CAD Zeichnungen, die Grundlage für das Fräsprogramm sind, sitze ich bei komplexen Teilen mehrere Stunden, wie heißt es so schön, der Weg ist das Ziel.

    Was mich letztlich vom Einstieg in die Drucktechnik abhält, ist der Umstand, daß man selbst mit dem perfekt gedruckten Teil immer noch auf fremde Hilfe, in diesem Fall die Gießerei, angewiesen ist. Da kann ich meine Dateien auch an den Fräser schicken, der dann die entsprechenden Programme schreibt.

    Anders wäre das , wenn der Druck gleich in Metall erfolgen könnte, aber Lasersinter sind wohl für den Hausgebrauch zumindest derzeit, noch zu teuer. Aber abwarten, wenn sich das in Zukunft ändert, würde das für den Modellbau ganz neue Perspektiven erschließen.


    Gruß Kourosh

  • Hallo Kourosh,


    natürlich ist das Warten auf die fertigen Teile unangenehm, und auch Nacharbeiten wie Beseitigen des Angusses und ggf. Glätten der nach dem Sandstrahlen doch recht rauen Oberfläche nimmt Zeit in Anspruch. Letztendlich ist es wohl eine Frage der persönlichen Präferenzen und auch Möglichkeiten - wer hat schon Zugriff zu einer Gießerei, die Stahl in Wachsausschmelzverfahren gießt (und sich noch dazu mit Bastlern abgibt :) ).


    Ich habe mal ein Teil bei einem Lasersinterbetrieb angefragt, der Preis war astronomisch, können sich wohl nur Großkonzerne leisten. Für nicht funktionale Teile genügt ja die übliche Shapeways-Methode, d.h. 3D-Druck Metallpartikel mit "Kleber", aber auch das ist preislich schon etwas luxuriös. Bleiben wir also lieber jeder bei seinen (individuellen) Leisten... ;)


    Gruß

    Kristian

  • Hallo


    Die Qualität der Oberfläche hängt viel vom Know-how der Gießerei und der Vorbehandlung des Modells ab.


    Von einem Lohnunternehmen wird man nur in Ausnahmefällen erwarten können, das der Gußkanal an der idealen Stelle angebracht wird.


    Die Rauhigkeit der Oberfläche hängt von sehr vielen Faktoren ab:


    1. Wie wird eingebettet? Sand?, aushärtende Einbettmasse?

    2. Steht bei Einbettmassen für das verwendete Modellmaterial eine Stoff zur Entspannung der Oberfläche zur Verfügung?

    3. Macht sich die Gießerei die Mühe die Oberfläche des Modells zu entspannen?

    4. Stehen zum Ausbetten Strahlmittel verschiedener Körnung zur Verfügung und habe ich eine Auswahl?


    Wenn die Oberfläche nach dem Guß so schlecht ist, das ich sie Nachbearbeiten muß, lohnt dann überhaupt noch der Guß oder Fertige ich das Teil nicht einfacher direkt aus dem Vollen und spare mir die Arbeit der Modellherstellung und die Kosten der Gießerei?


    Mit freundlichen Grüßen


    Thomas

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