3D-Druck mit Sand

Voxeljet erleichtert das Thermoformen

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Für den Prototypen seines Solar Velomobils suchte Ingeniur Thomas Viebach nach einer schnellen und kostengünstigen Methode zur Herstellung der Laminier- und Tiefziehformen, die er für die Außenhaut des Gefährts aus Carbonfaser benötigte. Als Verfahren für die Herstellung der komplexen Werkzeuggeometrien der Bauteile kam der industrielle 3D-Druck der Voxeljet AG zum Einsatz.

Inhaltsverzeichnis

1. Vorteile des 3D-Drucks in Sand
2. 3D-Sanddruck als Teil des Thermoformens
3. Pedilio — eine Alternative zum Pkw

 

Das Thermoformen, auch Vakuumtiefziehen genannt, hat aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit seit mehreren Jahren seine Daseinsberechtigung in industriellen Anwendungen gefunden. Da die Werkzeugkosten im Vergleich zum traditionellen Spritzguss nahezu entfallen, ist das Thermoformen bei kleinen und mittleren Losgrößen besonders kostengünstig. Thomas Viebach, Ingenieur des Solar Velomobils Pedilio, setzt das Thermoformen mit Hilfe des on demand 3D-Druckservices der Voxeljet AG nahe Augsburg bei der Konstruktion des Solar Velomobils ein. Im industriellen 3D-Druck mit Sand, wie es Voxeljet anbietet, entstehen die Laminier- und Tiefziehformen, die Viebach benötigt, um für einen Prototypen die Außenverkleidung zu bauen. Das leichte pedal-elektrisch angetriebene Fahrzeug sollte einen Kofferraum aus Carbonfaserlaminat, eine Frontverkleidung, einen wasserdichten Fußraum und Kotflügel erhalten. Aus Gewichtsgründen wählte der Entwicklungsingenieur für Feinwerktechnik die leichte und robuste Carbonfaser für das Rapid Prototyping.

Vorteile des 3D-Drucks in Sand

Der 3D-Druck mit Sand bietet die Möglichkeit, auch großformatige CAD-Modelle in reale Formen zu überführen. Hingegen wäre das Fräsen der großen Teile aus Plattenmaterial teurer. Alternativ hätte Viebach die Modelle im konventionellen Modellbau aus Holz und Hartschaum anfertigen müssen, was wesentlich zeitaufwändiger gewesen wäre. Viebach: „Für den Pedilio-Prototypen brauchte ich insgesamt sieben verschiedene Verkleidungsteile, die wir im Faser-Laminat-Verfahren hergestellt haben. Die Urmodelle der Formen ließ ich direkt bei Voxeljet als Positivform drucken, um davon in einem Zwischenschritt teilbare, leichte Negativformen abzunehmen. Für eine angenehmere Handhabbarkeit.“ Die 3D-Drucksysteme des genannten Herstellers erstellen Sandformen und Sandkerne für den Metallguss. Dabei wird Quarzsand schichtweise aufgetragen, bis die gewünschte Form entsteht. Die Sandschichten werden mit einem Binder selektiv verklebt und sorgen so für Stabilität und Biegefestigkeit. Das schnelle Verfahren ist geeignet, um Prototypen herzustellen oder Bauteile zu optimieren. Dabei sind auch große Formate mit bis zu 4 m Länge, 2 m Breite und 1 m Höhe möglich.

Die Vorteile im Allgemeinen:

  • Mit 3D-Druck werden Werkzeuge zügig optimiert und Prototypen viel einfacher erstellt.
  • Komplexe Sandformen und Sandkerne werden additiv gefertigt. Teure Werkzeugherstellung ist dabei nicht nötig.
  • Es können komplexere Bauteile als bei herkömmlichen Verfahren erstellt werden. Auch Hinterschneidungen können umgesetzt werden.
  • Hohe Druckauflösung sorgt für besonders präzise Sandformen und Sandkerne.
  • Sandformen und Kerne aus dem 3D-Druck können mit traditionellen Formen kombiniert werden.
  • Dank niedrigem Bindergehalt ist das Verhalten beim Ausgasen und Entkernen vergleichbar zu traditionellen Verfahren.
  • Problemlos zu komplexen Geometrien mittels 3D-Sanddruckverfahren

3D-Sanddruck als Teil des Thermoformens

Im konkreten Anwendungsfall, dem Thermoforming-Prozess von Ingenieur Viebach für die Sandformen von Voxeljet, umfasst das im Wesentlichen folgende Schritte:

  • Die Teile infiltriert Viebach mit Epoxydharz, um die Oberflächenfestigkeit zu steigern, gleichzeitig aber die Gasdurchlässigkeit, für eine gleichmäßige Verformung des Materials, beizubehalten.
  • Es folgt das Schleifen der Oberfläche der Sandform.
  • Die behandelten Sandmodelle konnten so direkt in die Tiefziehmaschine eingelegt werden.
  • Um das Formengewicht möglichst gering zu halten hat Viebach die Sandformen hohl aufgebaut. Um aber die Kräfte beim Tiefziehvorgang aufnehmen zu können, fügte Viebach Stützrippen im Inneren der Form hinzu.
  • Die Formen sind mehrmals wiederverwendbar.
  • Für die Seitenfensterelemente, die Heckscheibe sowie Scheinwerfergehäuse von Pedilio formte Viebach glasklares, zwei Millimeter starkes PET-Material um.

„Die Geometrie des Kofferraums beispielsweise habe ich gemeinsam mit dem Voxeljet-On Demand Printing Team in einer 3D-CAD-Software konstruiert. Wegen der späteren Entformbarkeit des Kofferraumbauteils, musste die Form dreiteilig ausgeführt werden.“ Für das Laminieren der Negativform fügte Viebach einen breiten Überstand an den Rändern des Modells hinzu. Außerdem sind die Formstücke aus Gewichtsgründen hohl aufgebaut, mit Verstärkungsrippen im Innenraum.

Zum Infiltrieren trug Erfinder Viebach dünnflüssiges Epoxydharz mehrmals nass-in-nass auf, sodass sich die Formoberfläche zur Stabilisierung gut mit Harz vollsaugen konnte. Nach dem Schleifen und der Versiegelung der Oberfläche waren die Formen einsatzbereit.

„Durch das 3D-Sanddruckverfahren war es möglich, die Urmodelle für die Faserlaminatteile direkt nach computermodellierten 3D-Daten auszudrucken. Im folgenden Zwischenschritt konnte ich dank der Positivform, gut handhabbare, leichte Negativformen abnehmen“ erklärt Viebach.

Pedilio — eine Alternative zum Pkw

Das Solar Velomobil Pedilio ist für Geschwindigkeiten von bis zu 45 km/h und, je nach Akku, einer Reichweite von 60 bis 120 km ausgelegt. Das Velomobil hat mit besonders kleine Außenmaße für eine Person und bietet sicheren Überblick durch gleiche Augenhöhe mit dem Autoverkehr. Im Gegensatz zum Pedelec, also zum Fahrrad mit elektrischen Hilfsmotor, ist das Solar Velomobil allwettertauglich. Denn durch die ausgefeilte Karosserie ist der Fahrer vor groben Wettereinflüssen geschützt. Seine Energie bezieht Pedilio, neben dem traditionellen Pedalantrieb, aus seinen Solarzellen auf dem Dach. Pedilio ist für die Straße zugelassen und als Leichtkraftfahrzeug bis 45 km/h (Klasse L6e) klassifiziert. Mit dem Solar Velomobil will Erfinder Thomas Viebach seine Vision vom pedal-elektrisch angetriebenen Fahrzeug nun massentauglich machen. eve

Mehr zu dem 3D-Druck mit Sand:
hier.pro/M0Xj4

Kontakt:
Voxeljet AG
Paul-Lenz-Straße 1a
86316 Friedberg
Tel +49 821–7483–100
Fax +49 821–7483–111
info@voxeljet.com
www.voxeljet.com


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