Martin Kaiser
ExOne GmbH

Einführung

Seit mehr als 20 Jahren ist ExOne bei industriellen 3D-Druckanlagen mit Binder-Jetting-Technologie weltweit führend. Die Anlagen ermöglichen den 3D-Druck von Pulverpartikeln wie Metall, Sand, Keramik und anderen Werkstoffen, um Formen, Kerne, verlorene Werkzeuge und fertige Funktionsteile herzustellen. 3D-Drucker von ExOne werden von Unternehmen aus den unterschiedlichsten Branchen von der Luft- und Raumfahrt über den Automobilbau bis hin zu den Sektoren Energie und Verteidigung genutzt.

Ein Schwerpunkt der Applikation ist die Herstellung von Sandkern- und Formpaketen für die Gießerei-Industrie. Hierbei kommen unterschiedliche Binder- und Formstoffkombinationen zum Einsatz. Verwendet werden sowohl organische als auch anorganische, Wasserglas basierte Bindersysteme in Kombination mit natürlichen als auch synthetischen Formstoffen.

Binder - Fokus Anorganik

Die organischen Binder sind stets mit einer mehr oder weniger ausgeprägten akuten Toxizität verbunden, und/oder die Gesundheit der Anwender kann über Langzeit-Exposition beeinträchtigt werden. Dazu entstehen während des Abgusses und der Verbrennung der organischen Bestandteile des Binders giftige Gase mit oft hohem BTX-Gehalt. Deshalb greift hier richtigerweise der Gesetzgeber vermehrt zu Restriktionen bei Umgang und Inverkehrbringung dieser Gefahrstoffe. Ein Bindersystem, das die genannten Nachteile in der Verwendung nicht aufweist, ist das Wasserglas aus der Kategorie der anorganischen Bindemittel. Vor etwa zehn Jahren begann bei ExOne die Entwicklung eines Binders auf Wasserglas Basis, der durch Piezo-Module verdruckt werden kann. Im Vergleich zu den organischen Bindersystemen von ExOne wird für das Wasserglas-System kein Aktivator benötigt. Es handelt sich sozusagen um einen „Einkomponenten-Kleber“. Dadurch legt man trockeneren Sand auf, als es bei den organischen Bindern der Fall ist. Während des Druckvorgangs werden zwei Additive zugegeben, die zum einen prozessrelevant für die Mikrowellenhärtung sind, zum anderen zur Heißfestigkeit im Abguss beitragen. Der Mikrowellenprozess ist unerlässlich, um schnell und effizient das Wasser auszutreiben, welches in hohem Anteil im Binder enthalten ist.

So hat jedes der vier Bindersysteme im Portfolio charakteristische Eigenschaften, die sich auf den Druckprozess, den Aushärte-Vorgang, die Nacharbeit und die Gussanwendung der gedruckten Geometrien auswirken. Exemplarisch sei hier erwähnt, dass:

• Organische Binder grundsätzlich für alle Legierungen eingesetzt werden können, der anorganische Binder starke Schwächen bei hohen Gusstemperaturen zeigt.
• Beim Furanbinder der Detailgrad und das Finishing (Entsanden der Sandformen) am schlechtesten sind.
• Der Aushärtevorgang bei Furanbinder am einfachsten ist (selbsthärtend).
• Die Umweltverträglichkeit und die Gesundheitsgefährdung des Bedieners beim Anorganiksystem in jeglicher Hinsicht am besten zu bewerten ist.

Maschinen/Prozess mit Anorganik

Inzwischen kann das anorganische Bindersystem auf unterschiedlichen Anlagen verwendet werden:

• SPrint                  160L
• SMax Pro           720L
• Exerial                  1850L  x2

Die neue Generation der S-Max, die S-Max Pro, wurde speziell für die Verwendung mit Wasserglas-Binder konzipiert. Die Jobboxen können über ein Shuttle-System transportiert werden, womit die Mikrowellenaushärtung realisiert wird. Für eine bessere Mikrowellendurchlässigkeit werden zB. Glaseinsätze in die seitlichen Wände der Jobbox eingebaut.

Es ist also notwendig, die Anorganik-Anlagen im Verbund mit einer Mikrowelle zu betreiben. Dazu kommen für die Anorganik-Kernproduktion weitere optionale Anbauten in Frage. Ein Maschinenverbund kann also aus den folgenden Teilen aufgebaut sein:

• Drucker
• Mikrowelle
• Automatische Entsandung / Entpackhilfe

Genauso können auch mehrere Drucker im Verbund genutzt werden. Ein Maschinenverbund kann zB aus zwei oder mehr S-Max Pro bestehen, die gemeinsam eine Mikrowelle und Entsandungsstation mit bedruckten Jobboxen beschicken. Hierbei müssen die spezifischen Taktzeiten der Druckaufträge und das Arbeitsschichtmodell der Firma in Einklang gebracht werden.

Ausblick

In Zukunft sollen weitere Anwendungsfelder für additiv gefertigte Geometrien erschlossen werden. Hierzu zählen zB der Abguss von Legierungen wie Gusseisen oder Stahl. Außerdem sollen Einsatzgebiete erschlossen werden, die die Auswaschbarkeit der gedruckten Teile auch außerhalb der Gießerei-Anwendung nutzen.