FALLSTUDIE BORO FOUNDRY – ÜBERHITZER
Der Einfluss von 3D-Druck und Sandguss auf die moderne Ersatzteilproduktion
Die in Großbritannien ansässige Gießerei Boro Foundry Ltd verwendet 3D-gedruckte Sandgussformen zur Fertigung historischer Ersatzteile. Für eine historische Dampflokomotive stellte Boro auf Grundlage der originalen Konstruktionszeichnung aus den 1950er Jahren einen neuen Überhitzer her. Dank 3D-Sanddruck konnte die Gießerei im Vergleich mit konventioneller Fertigung 2/3 ihrer Kosten einsparen und die Montagezeit des Formpakets von über 14 Stunden auf 3,5 Stunden reduzieren. Projekte wie diese zeigen auf beeindruckende Weise die Vorteile der Additiven Fertigung für die Ersatzteilproduktion – sowohl unter wirtschaftlichen als auch unter konstruktiven Gesichtspunkten.
Die Dampfmaschine war der erste große Meilenstein der Industrialisierung. Jedoch hat die Dampflokomotive eine mindestens genauso symbolträchtige Stellung. Zum ersten Mal war der Transport von Personen und Gütern über große Entfernungen ohne den Einsatz von Pferden möglich. Noch heute sind viele dieser früheren Motoren der Industrialisierung in Großbritannien im Einsatz, sowohl auf den Hauptstrecken des Landes als auch regelmäßig auf privaten historischen Eisenbahnstrecken.
Veraltet, teuer und ineffizient
Das britische Tyseley Locomotive Works ist ein Fachzentrum zur Restaurierung und Instandhaltung historischer Dampflokomotiven. Zu Beginn des Jahres 2022 erhielt Tyseley Locomotive Works von der WMG-Gruppe der Universität Warwick die Empfehlung Druckformen in Erwägung zu ziehen. Daraufhin wurde Boro Foundry mit der Fertigung eines neuen Überhitzers für eine der Dampflokomotiven beauftragt. Sam Edwards leitet die Abteilung Sales and Business Development bei Boro Foundry und war auf Gießereiseite für das Projekt verantwortlich. "Überhitzer sind für den Betrieb einer Dampflokomotive von zentraler Bedeutung. Sie erhitzen den Dampf aus dem Kessel bis zu den Zylindern auf Temperaturen, die weit über der Sättigungstemperatur des Dampfes liegen, “ so Edwards.
In diesem Fall erzeugt der Kessel 202 °C heißen Dampf und der Überhitzer erhöht die Temperatur auf bis zu 340 °C. Dadurch nimmt die im Dampf enthaltene Energie (Enthalpie) zu, die daraufhin zur deutlichen Steigerung der Arbeitsleistung in den Zylindern der Lokomotive eingesetzt werden kann. Zusätzlich reduziert die Überhitzung die Bildung von Kondensat, das bei der Ausdehnung des Dampfes in den Zylindern auftreten kann, auf ein Minimum und damit ebenfalls das Risiko von kondensatbedingten Schäden.
„Präzision und Qualität standen bei diesem Projekt im Fokus, denn schließlich hatte das alte Bauteil mehrere Jahrzehnte lang einwandfrei funktioniert, ehe es nicht mehr einsatzfähig war“, betont Edwards. „Obwohl Überhitzer seit vielen Jahrzehnten in der Lokomotivindustrie eingesetzt werden, ist das konventionelle Fertigungsverfahren veraltet, teuer und ineffizient.“
3D-Druck stellt die Weichen neu
Dies liegt vor allem daran, dass das Originalteil über eine Reihe von Löchern (insgesamt 56) verfügt, durch die während des Betriebs der Dampf geleitet wird. Diese Löcher erschweren den Gussvorgang erheblich. Die größte Herausforderung ist der Kern, der in die Form eingefügt wird, um die Hohlräume oder Löcher ins Gussteil zu integrieren. Ursprünglich wurde der Kern durch Klammern, Bolzen und den Einsatz spezieller Kernstopfen fixiert und so während des Gusses statisch in Position gehalten. Dabei bestehen jedoch ein erhebliches Risiko und eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Kern sich beim Abguss bewegt. Ungleich dicke und dünne Wandabschnitte und eine nachgeschaltete maschinelle Nachbearbeitung wären die Folge. Eine Untersuchung am Originalteil ergab, dass dies möglicherweise die Ursache für eine lokale Ausdünnung war, die dazu führte, dass der ursprüngliche Überhitzer aus dem Betrieb genommen wurde.
„Die veranschlagten Kosten für ein konventionell gefertigtes Formpaket, inklusive Modellfertigung, hätten bis zu 34.000 £ betragen. Ebenso haben wir den Aufwand zur Montage der Form auf ungefähr 14 Stunden geschätzt“, erklärt Edwards. „All das, in Verbindung mit dem Risiko, dass das Teil am Ende fehlerhaft oder schlimmstenfalls völlig unbrauchbar wäre, hat uns dazu bewogen, uns nach einer alternativen Fertigungslösung umzusehen. Beim 3D-Sanddruck von voxeljet wurden wir fündig“, fährt Edwards weiter fort.
Zukunftsorientiert, kosteneffizient und innovativ
Die ursprüngliche Konstruktionszeichnung war nicht mehr verfügbar und musste daher von einem Ingenieur bei Tyseley neu erstellt werden. Diese Zeichnung wurde anschließend von Stafford Road Design in ein 3D-Modell umgewandelt und für den 3D-Druck optimiert. Boro Foundry hat in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Cerve Ltd ein Formpaket entwickelt, das aus nur drei Formteilen und einem Kern besteht. Die Formen wurden von voxeljet im On Demand Printing Center in der Nähe von München gefertigt.
Als eingesetzte Technologie diente das Binder-Jetting 3D-Druckverfahren: Wie bei den meisten Additiven Fertigungsprozessen werden beim Binder-Jetting digitale CAD-Dateien verwendet. Diese werden von der Drucksoftware in hauchdünne Schichten zerlegt, von denen jede einen Querschnitt des Objekts darstellt. Dann beginnt das Druckverfahren: Ein Beschichter trägt eine mikrometerdünne Schicht des zu verdruckenden Pulvermaterials, in diesem Fall Quarzsand (durchschnittliche Korngröße: 140 µm), auf ein Baufeld auf.
Dann bewegt sich der Druckkopf über das Baufeld und bringt selektiv einen Binder in die Bereiche des Baufeldes ein, an denjenigen Stellen, die den Querschnitt des zu druckenden Objektes darstellen. Im Anschluss senkt sich das Baufeld genau um eine Schichtdicke und der Beschichter trägt eine neue Schicht Sand auf, die der Druckkopf erneut selektiv verklebt. Diese Verfahrensschritte werden wiederholt, bis das Objekt vollständig gedruckt ist und aus der Box entpackt werden kann.
Durch den 3D-Sanddruck konnte Boro die Montagezeit der Form auf 3,5 Stunden reduzieren und die Gesamtkosten auf knapp über ein Drittel der Kosten für die konventionelle Fertigung von Gussform und Modell senken.
Anders als beim Originalteil hat Boro sich außerdem dafür entschieden, die Gussform inklusive der 56 Löcher an der Unterseite zu drucken.
Obwohl bei der 3D-Gussform ebenfalls das Risiko bestand, dass der Kern wegbrechen und durch den Druck beim Gießen aufschwimmen würde, konnte Boro den Kern und die Gussform mit Bolzen fixieren, indem Vertiefungen für die Bolzenschraubverbindungen direkt in die CAD-Datei oder die gedruckte Gussform integriert wurden.
Vor dem eigentlichen Guss wurde der Gießvorgang von Boro simuliert und ein Stufensystem entwickelt, das den Gießdruck reduziert und so auch das damit verbundene Risiko der Kernerosion oder -bewegung. Zusätzlich konnte die Simulation dazu beitragen, den Gasstoß während des Gussvorgangs vorherzusagen und das Risiko von Gaseinschlüssen zu reduzieren. Boro hat im Anschluss ungefähr 550 kg Eisen bei ungefähr 1330 °C vergossen. Der neue Überhitzer für Tyseley Locomotive Works misst 1300 mm x 600 mm x 400 mm und wiegt 406 kg.
„Ein besonders erfreuliches Ergebnis mit echtem Mehrwert war, dass alle 56 Löcher frei geblieben sind, und damit keine nachträglichen Bohrungen notwendig waren, wodurch wir letztendlich Zeit und Geld gespart haben“, fasst Edwards zusammen. „Innovation war der Schlüssel zum Erfolg. Durch den Einsatz von 3D-Modellierung, Gießsimulation und 3D-Sanddruck konnten die Gesamtqualität, der Zeitaufwand und der Kostenfaktor deutlich verbessert werden. Wir haben mit der Anwendung dieser neuen Technologien einen überwältigenden Erfolg erzielt. Dies ebnet den Weg für eine bessere Zukunft bei der Fertigung von Teilen wie diesem Überhitzer und bietet die Perspektive, in Zukunft auch größere und komplexere Gussteile für solche Anwendungen herzustellen."
