Großformatige Sandformen gedruckt mit VX9000 – eine Fallstudie

Additive Fertigung kommt heute überwiegend bei Prototypen und Kleinserien zum Einsatz. Die Bau-Volumina gängiger Systeme begrenzen den Einsatzbereich häufig auf kleinere Bauteile – ein Umstand, der den Eindruck verstärken kann, 3D-Druck sei nur für kompakte Anwendungen geeignet. Doch insbesondere in der Energiebranche, etwa bei Wind- oder Wasserkraftanlagen, sind völlig andere Maßstäbe gefragt: Gerade bei Windradturbinen können Einzelkomponenten wie z.B. Rotornaben Stückgewichte von bis zu 60 Tonnen erreichen.

Projektstart: Entwicklung der Advanced Casting Cell (ACC)

Auch im Großformat gelten für Ingenieurteams dieselben Zielgrößen wie bei kleineren Bauteilen: maximale Designfreiheit, Reduktion von Gewicht und Materialeinsatz, verkürzte Durchlaufzeiten sowie die Möglichkeit zur dezentralen Fertigung. Um diese Vorteile der additiven Fertigung auf Komponenten im Multi-Tonnen-Bereich zu übertragen, hat voxeljet gemeinsam mit GE Vernova und dem Fraunhofer IGCV das VX9000-Dreidrucksystem entwickelt. Das System markiert einen signifikanten Technologiesprung – es skaliert die industrielle Binder-Jetting-Technologie erstmals auf ein Niveau, das den Anforderungen für Multitonnen-Gussteile gerecht wird.

Im September 2021 gaben GE Vernova (damals GE Renewable Energy), Fraunhofer IGCV und voxeljet den Start eines gemeinschaftlichen Forschungsprojekts zur Entwicklung eines großformatigen 3D-Sanddruckers bekannt. Ziel war die Optimierung der Formherstellung für Gusskomponenten der Haliade-X-Offshore-Windturbine. Die ACC sollte in der Lage sein, Sandformen für Einzelteile mit bis zu 60 Tonnen Gewicht zu fertigen – schneller, flexibler und ressourcenschonender als herkömmliche Formverfahren.

Ein wesentlicher Vorteil der geplanten Technologie lag in der drastischen Reduktion der Produktionszeit: Statt rund zehn Wochen sollte die Herstellung in nur zwei Wochen erfolgen können. Zusätzlich versprach der Einsatz additiver Fertigung am Ort der Installation eine deutliche Reduktion des Logistikaufwands und der damit verbundenen CO₂-Emissionen.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstützte das Projekt im Rahmen eines technologieorientierten Innovationsprogramms.

Technologieplattform: Binder-Jetting im industriellen Maßstab

Als Teil der ACC wurde der VX9000-3D-Drucker von voxeljet konzipiert. Dieser basiert auf voxeljets etablierten Binder-Jetting-Technologie. Dabei wird Sand schichtweise selektiv mit einem Binder verfestigt. Dies erlaubt die Herstellung komplexer Geometrien bei hoher Maßhaltigkeit. Mit einem Bauvolumen von 9 x 7 x 1,8 Metern übertrifft der 3D-Drucker das Bauvolumen aller anderen gängigen 3D-Sanddrucker und gehört damit zu den größten Systemen seiner Art weltweit.

Im Oktober 2023 wurde das Gesamtprojekt von GE Vernova durch das U.S. Department of Energy (DoE) mit 14,9 Millionen US-Dollar gefördert. Voxeljet wurde als technischer Umsetzungspartner ausgewählt, um die VX9000 weiterzuentwickeln.

Prototypenbau und Systemintegration

Folgend wurde die erste VX9000-Plattform am Voxeljet-Hauptsitz in Friedberg montiert. Die Ausmaße des Systems übertreffen bestehende Anlagen deutlich – der Vergleich mit der VX4000, bislang eines der größten kommerziellen 3D-Drucksysteme für Sandformen, verdeutlicht den Skalierungssprung.

Neben dem vergrößerten Bauvolumen punktet die VX9000 auch durch weitere technologische Fortschritte:

• Verarbeitung industrieller Gießereisande – Nutzung kostengünstiger, lokal verfügbarer Sande mit hoher Recyclingfähigkeit; deutlich einfachere Aufbereitung im Vergleich zu klassischem Quarzsand.
• Höhere Schichtstärken und verbesserte Drucktechnologie – Schichtstärken von bis zu 1 mm beschleunigen den Bauprozess und senken die die Prozesskosten.
• Versatz-Druckstrategie (Offset-Jetting) – Großformatiger Druckkopfaufbau mit sehr kurzen Versatzwegen für signifikant verkürzte Bauzeiten.
• Integrierbare Prozesssensorik – Echtzeitüberwachung relevanter Prozessparameter gewährleistet gleichbleibende Druckqualität und Rückverfolgbarkeit.

Validierung unter Produktionsbedingungen bei Baettr Foundry

Ein signifikanter Meilenstein wurde im Sommer 2025 erreicht: In der schwedischen Baettr Foundry wurden die ersten großformatigen Sandformen der VX9000 erfolgreich gegossen. Insgesamt wurden 20 Benchmark-Formen in Printjobs mit bis zu 7,5 m Länge unter realen Gießereibedingungen verarbeitet. Vergossen wurde die Legierung EN-DJS-400-18-LT, das finale Gussteil wiegt 7.200 kg.

Ergebnisse:

• Dimensionale Toleranzen lagen weit innerhalb der geforderten Werte.
• Wesentlich höhere Passgenauigkeit der Bauteile als traditionell hergestellte Großformen.
• Deutlich einfachere Montage der Gussform.
• Geringerer Putzaufwand der Bauteile durch verbesserte Oberfläche und weniger Grate.
• Problemloser Gussprozess unter Serienbedingungen.
• Keine erkennbaren Gussfehler.
• Erste Erkenntnisse zur Prozessoptimierung im Handling und Workflow.

Die Validierung bestätigte die industrielle Einsatzfähigkeit des Systems. Die VX9000 erfüllte sowohl die geometrischen als auch die gießtechnischen Anforderungen für kritische Großkomponenten.

„Baettr arbeitet seit 2018 mit Voxeljet an der Weiterentwicklung des Sand-3D-Drucks. Die Fortschritte sind deutlich spürbar: Heute sind die Kerne größer, einfacher zu montieren und erfüllen weiterhin höchste Genauigkeits- und Qualitätsstandards. Mit diesen positiven Erfahrungen möchten wir die Technologie auch künftig aktiv mitgestalten.“ Erklärt Nicolas Ory-Studer, Project Manager bei Baettr.

Anwendungsspektrum und Skalierbarkeit

Die VX9000 wurde primär für die Offshore-Windindustrie entwickelt, lässt sich jedoch auf zahlreiche andere Einsatzfelder übertragen. Dazu zählen:

• Hydroturbinen (z.B. Francis-Laufräder, Spiralgehäuse),
• Schwerlast-Rotornaben und Getriebegehäuse,
• Strukturbauteile für Großanlagen im Energie- oder Infrastrukturbereich.

Voxeljet als Engineering-Partner für großtechnische AM-Lösungen

Mit der Entwicklung des VX9000 bestätigt voxeljet seine Rolle als Technologieführer im Bereich großformatiger additiver Fertigung für den Gießereisektor. Die Kombination aus langjähriger Erfahrung, Engineering-Kompetenz und flexibler Maschinenarchitektur macht das Unternehmen zum verlässlichen Partner für Industrieprojekte mit hohen Anforderungen an Individualisierung, Maßhaltigkeit, Geschwindigkeit und Nachhaltigkeit.