3D-Sanddruck – Sandbasierte Additive Fertigung

 

Fertigung von Werkstoffen für die Gießereitechnik

3D-Druck von Kernen und Formen

– ein entscheidender Schritt für die Zukunft der Gießereitechnologie!

 

Das Fraunhofer IGCV verfügt über einzigartiges Know-how im 3D-Drucken von Kernen und Formen, mittels der sogenannten Binderjetting-Technologie ein Verfahren der additiven Fertigung.

3D-Sanddruck für die Gießerei – was ist Binderjetting?

Die Binderjetting-Technologie ist ist ein innovatives Verfahren der additiven Fertigung. Dabei wird ein Partikelmaterial, oft ein Gießerei-Sand, mit einem Spezialbinder verklebt. Häufig kommt Gießerei-Sand, aber auch eine Vielzahl anderer Materialien, wie Metallpulver oder keramische Partikel, zum Einsatz. Der Binder, der in der Regel flüssig ist, kann ein Harz oder eine andere spezielle Flüssigkeit sein, die dafür sorgt, dass die Partikel miteinander verbunden werden.
Im Prozess werden dünne Schichten aus Sand  auf eine Bauplattform aufgebracht und bestimmte Bereiche entsprechend der Bauteildaten mit Binder bedruckt. Nach der Verteilung bewegt sich ein Druckkopf über die Bauplattform und sprüht den Binder auf spezifische Bereiche der Schicht. Diese Bereiche sind im Voraus durch die CAD-Daten des gewünschten Bauteils definiert, sodass der Binder nur dort aufgetragen wird, wo er benötigt wird, um die Struktur zu formen.
Nachdem der Binder aufgebracht wurde, erfolgt ein Trocknungs- oder Aushärtungsprozess, der sicherstellt, dass die verbundenen Partikel die notwendige Festigkeit erreichen. Dieser Schritt ist entscheidend, da er die strukturelle Integrität des Bauteils gewährleistet. Der gesamte Vorgang wird schichtweise wiederholt, bis das Bauteil vollständig aufgebaut ist. Nach dem Druckprozess ist eine Nachbearbeitung erforderlich, um überschüssiges Material zu entfernen und eventuell weitere Schritte zur Verfestigung oder Bearbeitung des Bauteils durchzuführen.

Vorteile der Binderjetting-Technologie

Binderjetting zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität und Wirtschaftlichkeit aus, da komplexe Geometrien ohne den Einsatz von Werkzeugen effizient hergestellt werden können.

Technisch gesehen ermöglicht das Binderjetting eine präzise Kontrolle über die Struktur und Dichte der gedruckten Bauteile. Dies geschieht durch die gezielte Dosierung von Binder und Material, wodurch selbst filigrane Details oder komplexe Hohlräume realisiert werden können. Für die Gießerei bedeutet dies eine erhebliche Optimierung: Gussformen und Kerne können ohne konventionelle Werkzeuge oder Modelle direkt aus CAD-Daten hergestellt werden. Dies spart nicht nur Zeit, sondern reduziert auch Kosten bei der Prototypenentwicklung und bei der Produktion kleiner Serien. Gleichzeitig eröffnet die Technologie neue Freiheiten in der Bauteilgeometrie, die mit herkömmlichen Verfahren oft nicht realisierbar sind. Binderjetting wird zunehmend für den Werkzeugbau und die Herstellung maßgeschneiderter Bauteile eingesetzt.

 

Mehr Info

Prozessvideo Binderjetting

Projektbeispiele zum Binderjetting

3D-Sanddruck @Fraunhofer IGCV:

Mehrstufige Additive Fertigung in der Serienproduktion

Die Forschungsarbeiten des Fraunhofer IGCVs umfassen die gesamte Prozesskette der Fertigung von Gussteilen mit additiven Verfahren.

Vorteile der sandbasierten Additiven Fertigung für Gussteile entlang der gesamten Prozesskette

Ausgehend von der Materialentwicklung, die neue Formstoffe und Bindersysteme generiert, werden Prozesse angepasst, optimiert oder neu erdacht. Diese werden in prototypische Testsysteme implementiert oder beim Kunden auf industrieller Skala umgesetzt. Mit dem 3D-Sanddruck im Fokus wird immer auch die ganze Prozesskette betrachtet, um die Vorteile der Additiven Fertigung in die Serienproduktion zu bringen.

Entwicklung von Materialien für den 3D-Druck

Anders als bei Laserstrahlschmelzverfahren stehen bei einer mehrstufigen additiven Fertigungskette andere Werkstoffeigenschaften im Vordergrund. So sind bei einer Verwendung des 3D-Druckteils als Gießform die Temperaturbeständigkeit und die Prozesskettentauglichkeit im Vordergrund. Kurze Lebenszyklen erfordern hier ein besonderes Augenmerk auf die Kreislauffähigkeit der Materialien. Die Bindersysteme müssen sowohl den Anforderungen des Gießprozesses gerecht werden, dabei aber auch durch einen Tintenstrahldruckkopf zu verarbeiten sein. Auch der Sand wird intensiv betrachtet, da auch dieses Material den spezifischen Anforderungen  sowohl der Gießereiwelt, als auch der Verarbeitbarkeit im 3D-Druck angepasst sein muss. Der Arbeitsgruppe am Fraunhofer IGCV stehen hierfür Methoden aus beiden Welten zur Verfügung: Ein komplett ausgestattetes Formstofflabor wird ergänzt durch Methoden zur Charakterisierung von Partikelmaterialien, der Binderchemie und der Rheologie der entwickelten Binder.

3D-Sanddruck – Analyse und Material
© Fraunhofer IGCV
a) Kornbandanalyse eines typischen Sandsystems für den 3D-Druck und b) Mikroskopie zur Abbildung feiner Oberflächenmerkmale
Maßabweichungen im 3D-Druck
© Fraunhofer IGCV
Untersuchung von Maßabweichungen im 3D-Druck: Testjob mit einer gezielten Bauteilanordnung und Messschriebe der Abweichungen vom Sollmaß für Prüfkörper mit Messflächen, die in positive wie negative Z-Richtung orientiert sind.

Prozesse und Prozessführung

Parallel zur Materialentwicklung wird die Prozessführung untersucht, um das Material in die gewünschte Geometrie zu bringen. Dazu werden 3D-Druck-Teststände für die Verarbeitung im Labormaßstab verwendet, modifiziert und parametriert. In Testständen oder in industriellen Anlagen werden Prüfkörper erzeugt, die eine umfassende Dokumentation und Bewertung der grundlegenden Materialeigenschaften, sowie eine fundierte Diskussion mit den Experten aus der Gießereibranche ermöglichen.. Ebenso werden Prozesse bei Kunden analysiert und Empfehlungen für eine gesteigerte Prozesssicherheit und maßhaltigere Formen gegeben.

Sonderprozesse, wie das schlickerbasierte 3D-Drucken, stellen eine wesentliche Erweiterung der konventionellen Druckverfahren bzgl. der Werkstoffeigenschaften und der möglichen Auflösung dar. Mit dieser Verfahrensvariante werden neben Formen für Feingießanwendungen auch direkt für die Anwendung bestimmte Bauteile, beispielweise mit Aluminium, gedruckt.

Maschinentechnik

Das Engineering von Maschinenelementen und ganzen Drucksystemen ermöglicht die barrierearme Umsetzung der Prozessketten. Dafür werden am Fraunhofer IGCV die maschinenbaulichen Kompetenzen der Mitarbeitenden genutzt, um sowohl neuartige Ideen für die Ausführung von Komponenten oder die Prozessführung umzusetzen, als auch Kunden in die Lage zu versetzen ihre Prozesse abzubilden oder zu verbessern. Das Drucksystem, mit seinem zentralem Element - dem Tintenstrahldruckkopf, ist ein Schwerpunkt der Forschung. Dazu werden verschiedene marktgängige Tintenstrahldruckmodule eingesetzt und deren Verschleiß charakterisiert. Im Bereich des Pulverbeschichters werden Systeme aufgebaut und deren Einflussnahme auf die Druckqualität, beispielsweise die Verschiebung bereits bedruckter Bereiche, geklärt. Durch diese Erkenntnisse können Leistungsparameter, wie die Beschichtungsgeschwindigkeit, gezielt gesteigert werden. Für die Prozessüberwachung werden Kamerasysteme eingesetzt, die mittels Bildverarbeitung und KI-Methoden spezifische Aussagen zur Prozessstabilität zulassen.

Kundenprojekt zur Entwicklung eines maßgeschneiderten Testaufbaus für den 3D-Sanddruck:

Testaufbau zur Materialentwicklung für den 3D-Druck
© Fraunhofer IGCV
Kundenprojekt zur Entwicklung eines maßgeschneiderten Testaufbaus für die Materialentwicklung für den 3D-Druck

Unsere Leistungen im Bereich 3D-Sanddruck

  • Sie haben ein neues Material? Sie wollen die Kette bis zum Gussteil durchlaufen?

    Die Integration neuer Materialien in 3D-Drucktechnologien stellt oft eine Herausforderung dar, da eine präzise Anpassung und Optimierung der Druckparameter erforderlich ist. Besonders der Druckkopf stellt eine empfindliche und kostenintensive Komponente dar. Hier können wir im Vorfeld beraten, was möglich ist und was nicht. Darüber hinaus bieten wir die Möglichkeit, die Prozesskette vor einer großen Investition in Geräte und neue Prozesse aufwandsarm auf die Eignung für Ihre Anwendung zu prüfen. Auf unseren Testständen können wir Teile bis zu einer Größe von 100x100x50 mm bemustern. Es stehen uns weiterhin industrielle Anlagen mit Bauräumen von bis zu 1000x500x400 mm zur Verfügung. In anschließenden Gussversuchen können dann die Weichen für die weitere Entwicklung gestellt werden.

  • Sie haben Maßprobleme mit ihren Bauteilen aus einem 3D-Druckprozess mit Sand?

    Der Binderjetting-Prozess wirkt auf den ersten Blick einfach und gut verständlich. Geht man in Tiefe, gibt es komplexe Prozesseigenschaften, die häufig nicht vollständig verstanden oder kompensiert werden. Wir helfen vor Ort oder remote in einem gemeinsamen Projekt die Maßabweichungen zu charakterisieren und meist bekannten Ursachen zuzuordnen. Durch Erfahrung und wissenschaftliche Methodik lassen sich meist schnell Maßnahmen finden und nachhaltige Erfolge erzielen. Damit wird der Einsatz in der Produktion ausgeweitet und das Vertrauen in die Prozesse gestärkt.

  • Es treten immer wieder Störungen an Ihrem System auf, die Bauteile unbrauchbar machen oder Jobabbrüche verursachen?

    Mit unserer langjährigen Expertise im Bereich von 3D-Sanddrucksysteme sind wir der ideale Partner gemeinsam mit Ihnen prozessinstabile Maschinenelemente zu identifizieren, die Ursachen zu benennen und abzustellen. Dies kann meist über eine erfahrungsbasierte Parametrierung erfolgen. Ebenso ist es möglich, ganze Baugruppen zu ersetzen und so den Prozess wieder auf die Schiene zu setzen.

  • Der Druckkopf an Ihrem System erreicht eine nur unzureichende Lebensdauer?

    Für die wirtschaftliche Nutzung ihres Systems ist die Druckkopflebensdauer entscheidend. Oft sind die Druckmodule im Druckkopf für Tinten konzipiert, die nicht die Aggressivität der Binder im 3D-Druck aufweisen. Wir analysieren vor Ort das Gesamtsystem und untersuchen am Bauteil die Versagensursache. Materialversuche und mikroskopische Analysen können wertvolle Hinweise für eine Verbesserung der Situation liefern. Ergebnis einer Studie sind Parameterempfehlungen, Handlungsanweisungen oder Vorschläge zu einer durchführbaren Systemmodifikation

  • Der Prozess läuft nicht? Ein plötzlicher Ausfall und keiner weiß weiter?

    Vielleicht können wir helfen! Unsere Erfahrung macht es möglich, einen anderen Blickwinkel auf ein Problem zu bekommen. Wir können uns schnell auch in fremde Systeme einarbeiten und helfen, kostenintensive Produktionsausfälle zu reduzieren.

  • Sie benötigen eine Plattform für die Realisierung Ihrer Prozessidee?

    Das Fraunhofer IGCV ist kein Systemlieferant, der Maschinen, Wartungen und Service anbieten kann. Dennoch können wir in einem gemeinsamen Projekt einen Teststand entwickeln, der das Drucken im Labormaßstab erlaubt. Unsere universelle Softwareplattform ermöglicht den Aufbau von einerseits kleineren Druckkopf-Prüfsystemen oder Beschichter-Testsystemen und anderseits von vollständigen 3D-Druckern, die durchaus hohe Volumenleistung bringen. Die Maschinenrichtlinie ist immer Basis der Ausführungen.

  • Sie haben den Prozess qualifiziert und wollen skalieren?

    Unsere Erfahrungen umfassen die einzelnen Prozesselement sowie komplexe Verkettungsfragen einer spezifischen Produktionsaufgabe. Die Auslegung der Plattformen ermöglicht uns eine fundierte Marktkenntnis. Eine ganzheitliche Betrachtung in einem Gießereibetrieb ist durch unser Partnernetzwerk sichergestellt.

  • Um Fragen wie „Lohnt sich ein neuer Fertigungsprozess?“, „Welche Auswirkungen hat die Integration eines neuen Prozesses?“ oder auch „Wie rentabel sind alternative Prozessketten?“ zu beantworten, werden oftmals Bilanzierungstools als Entscheidungsunterstützung genutzt.

    Sie können Aussagen über verschiedenste Zielgrößen wie Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit, Qualität oder auch Energieeffizienz liefern. So können Investitionsentscheidungen fundiert getroffen und neue, zielgrößenoptimale Alternativen aufgezeigt werden. Rund um den 3D-Sanddruck ist am IGCV sowohl das Prozesswissen als auch die Erfahrung in der Kosten- und Ökobilanzierung vorhanden, um ihre Fragestellungen verlässlich zu beantworten.

  • Forschung ist unsere Kernkompetenz. Durch Forschung erarbeiten wir das Wissen, um neue Impulse für Ihre täglichen Aufgaben zu erzeugen. Gerne gehen wir weiter in die Tiefe und untersuchen die spezifischen Fragestellungen des 3D-Sanddruckens weiter. Dabei gehen wir von der industriellen Forschung bis zum Level der Grundlagenforschung. Besonders am Herzen liegt uns aber die gemeinschaftliche Forschung mit industriellen Partnern. Sprechen Sie uns gerne mit Ihrer Projektidee an!

  • Das von uns erarbeitete Wissen soll allen Nutzern der 3D-Sanddrucktechnologie zugutekommen. Neben Lehrveranstaltungen an der Universität bieten wir bei besonderem Interesse spezifische Schulungen an, die auf das Binderjetting von Sandformen und –kernen fokussiert sind, oder die ganze Prozesskette vom CAD-Entwurf bis hin zum Ausbrechen der Gussteile beinhalten können. Mehr zu unserem Schulungsangebot finden sie unter XXX.

3D-Sanddruck in der Praxis: Bavaria 2.0 als gelunges Beispiel für den Einsatz von Binderjetting in der Gießerei

Die Bavaria-Statue wacht seit 1850 über der Theresienwiese in München. Bis heute gilt die 18 Meter hohe und 87 Tonnen schwere Patronin Bayerns als technische Meisterleistung.

150 Jahre später, leisten wir am Fraunhofer IGCV einen weiteren technischen Erfolg bei der Herstellung ihrer Doppelgängerin! Mit ca. 1m Höhe und 25kg Gewicht ist die Bavaria 2.0 zwar deutlich kleiner und leichter, aber in Gießereikreisen nicht weniger bahnbrechend: Mittels eines neuartigen Stapelgussverfahrens aus 53 Einzelteilen wurde die Miniatur aus Aluminium realisiert. Die einzelnen Gussformen entstanden durch 3D-Sanddruck – ein Verfahren, das sich besonders für komplexe Strukturen eignet.

Im Projekt wurde nicht nur die Bavaria reproduziert, sondern gleichzeitig nachgewiesen, dass sich durch die modulare Unterteilung der Form hochkomplexe Strukturen und Bauteile fertigen lassen, die mit herkömmlichen Gussformen nur schwer oder gar nicht umsetzbar wären. Das macht das Verfahren äußerst flexibel und zukunftsweisend für den Metallguss – sei es für Kunstwerke, Prototypen oder industrielle Anwendungen. Das Bavaria-Projekt zeigt, wie 3D-Sanddruck (Binderjetting) erfolgreich in der Gießerei-Praxis angewendet werden kann.

Mehr Info:

Der Entstehungsprozess der Bavaria 2.0 im Zeitraffer

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Condition Monitoring im Binderjetting: Projekt ConMon3D

Fehlererkennung mittels KI: Condition Monitoring im Binder Jetting
© Fraunhofer IGCV
Fehlererkennung mittels KI: Condition Monitoring im Binder Jetting

Um teure und zeitaufwändige Fehler bei additiv gefertigten Bauteilen zu verhindern, wird im Projekt »ConMon3D« der Druckkopf als Kernkomponente für Binderjettingprozesse durchgehend überwacht. Bisher wird beim Binder Jetting der Zustand wesentlicher Maschinenkomponenten vor dem Druckprozess meist nur händisch geprüft. Daher soll ein einfach zu integrierendes Modul für Binderjettingprozesse entwickelt werden, das Aufwand und Kosten spart, indem es ein Monitoring ohne wesentliche Hardwareaufwände ermöglicht.

So werden mit einer Prozessraumkamera im Inneren eines 3D-Druckers Bilder aufgenommen, um so die benötigten Messdaten zu gewinnen. Anschließend können dadurch Aussagen über die zu erwartende Bauteilqualität getroffen und Prozesse entsprechend nachjustiert werden.

Weitere Informationen: zur Projektseite »ConMon3D«

 

Augsburger Seminar für Additive Fertigung

Unser langjährig etabliertes
Augsburger Seminar für Additive Fertigung
findet 1x jährlich statt!

Nächster Termin: 17. Juli 2025

 

Das AM Seminar bietet eine Plattform für den Austausch von Informationen, Entwicklungen und Best Practices. Es richtet sich an Unternehmen, die mit 3D-Druck arbeiten (wollen) und sich über Möglichkeiten und Potenziale informieren möchten.

Weitere Projekte

Hier finden Sie einen Überblick zu verschiedenen Referenzprojekten am Fraunhofer IGCV.

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