Hallo allerseits,
neben dem kürzlich geschilderten 3D-Drucken von Formen für Wachsmodelle gibt es eine weitere Möglichkeit, Modelle für Feingussteile ohne aufwändig CNC-gefräste Aluminiumformen herzustellen: direkter 3D-Druck.
Obwohl ich von dieser Möglichkeit schon seit Längerem wusste, bewog mich erst ein Gespräch bei der Dampf-Olympia, diese Methode auszuprobieren. Es gab zwei Gründe für mein Zögern:
- Man kann keine üblichen 3D-Druck-Filamente wie PLA oder ABS verwenden, da diese nicht wie Wachs im Druckkessel bei rund 150 °C ausschmelzen, sondern erst beim Brennen der Keramikform verbrennen, dabei Rückstände -> Fehler hinterlassen und sogar die Gefahr mit sich bringen, durch ihre beträchtliche thermische Ausdehnung die Form zu sprengen (ist in “meiner” Gießerei schon passiert). Deshalb muss man speziell entworfene und optimierte Filamente verwenden, die zwar auch nicht zusammen mit dem Wachs ausschmelzen (gedruckt werden sie bei +- 210 °C), jedoch beim Verbrennen kaum Asche hinterlassen (die neuesten nur 0,003 %) und sich nur minimal ausdehnen. Sie sind jedoch recht teuer, und obwohl man die Modelle praktisch hohl, nur mit einer lichten inneren Stützstruktur drucken kann (so wie die meisten 3D-Drucke), verteuert sich (zumindest für mich) ein Gussteil je nach Form des Teils und Infill-Anteil um 30 – 60 Prozent.
- Beim 3D-Drucken mittels FDM-Verfahren in einzelnen Schichten zu je 0,1 mm entstehen in Z-Richtung feine Rippen, an leicht von der Horizontale geneigten Flächen regelrechte Stufen, und sogar auf horizontalen Flächen sind die einzelnen Spuren des Druckkopfes zu erkennen. Da am fertigen Gussteil auch nach dem Sandstrahlen schon geringste Kratzer auf dem Modell sichtbar bleiben (vor allem, wenn man das Gussteil blank bürstet), muss man das Modell glätten, will man eine glatte Oberfläche haben. Da es sich um “Plastik” handelt, kommt maschinelles Schleifen aufgrund der geringen Wärmeableitung nicht in Frage, das Material wird sofort weich. Man muss es also manuell schaben, ggf. feilen oder schmirgeln, je nach Größe, Form und gewünschter Oberflächenqualität kann das auch mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Im Gegensatz zum Sandgussverfahren muss für jedes Exemplar des gleichen Teils ein eigenes Modell gefertigt werden, das läppert sich.
Wie schon beim “Eintritt in die 3D-Welt” kam mir ein Zufall zur Hilfe: Der örtliche 3D-Laden hatte ein Warenmuster von Moldlay, einem der drei mir bekannten Filamente dieser Art. Ich druckte also erst mal einige Testteile zum Ausprobieren, was man sich erlauben kann, darunter auch dieses Modell für einen Achslagerblock:
So richtig glücklich war ich mit dem gedruckten Modell nicht - allzu viele Oberflächenfehler, vielleicht verursacht durch Feuchte im Material (es ist hygroskopisch, ich hätte es wohl erst trocknen sollen). Was aber schlimmer ist: Die an Plastikdosen erinnernde Beschaffenheit des Moldlay macht das Glätten sehr schwierig. Ich musste beim Schaben relativ viel Kraft aufwenden, unter der sich dünnere Wände der Testteile verbogen – sie ließen sich zwar zurückbiegen, wurden jedoch nicht mehr wirklich eben.
Das finale Gussteil zeigt gnadenlos alle Fehler des Modells, seine Detailtreue im Vergleich zu dem von einem Wachsmodell gegossenen Pendant (mit Streichholzschachtel) ließ mich jedoch staunen:
Motiviert durch das Ergebnis, äußerst spärliche Informationen im Internet und Auskünfte vom alternativen europäischen Anbieter beschloss ich, eine 3-kg-Spule Polycast zu bestellen (kleinere wurden nicht angeboten, sollen aber kommen).
Die Investition hat sich gelohnt, Polycast hat mich begeistert: Es ist merklich härter und etwas spröde, lässt sich also ähnlich leicht schaben wie z.B. Gießereiwachs, ohne dass man befürchten muss, das Teil zu verbiegen (erprobte Mindeststärke: 0,8 mm). Zudem kann man es mit Alkohol kleben, wobei die Verbindung nicht sofort fest wird und die Teile sich noch zurechtrücken lassen (Moldlay kann man angeblich mit Sekundenkleber kleben, da ist Richten nach dem Zusammenfügen wohl kaum möglich). Dies eröffnet die Möglichkeit, auch komplizierte Teile herzustellen, für die sich eine Form für ein herkömmliches Wachsmodell gar nicht herstellen ließe. Wachs kann man zwar mit einem Lötkolben schweißen, der Arbeitsaufwand für das Nacharbeiten der Nähte (sollen sie nicht zu erkennen sein) ist jedoch immens. Die Passgenauigkeit der Klebungen lässt sich leicht durch Stifte (einfach Stücke des Filaments) gewährleisten, die entsprechenden Öffnungen werden vorgedruckt und dann auf Maß gebohrt. Leider erst nach einigen gedruckten Modellen kam mir die Idee, entlang der Kanten von zu klebenden Flächen einen kleinen äußeren Grat vorzusehen: nach dem Kleben schabt man ihn ab und die Klebenaht ist am Gussteil nicht mehr zu erkennen.
Etwas widerspenstig zeigt sich Polycast beim Drucken. Bei "Leerfahrten" des Druckkopfes zwischen unterschiedlichen Druckbereichen (zuerst werden die Perimeter - äußeren Flächen gedruckt, dann erst Infill) oder mehreren Teilen zieht das Material Fäden:
Trotz einigem Experimentieren mit Drucktemperatur, Kühlung und Retraction (Zurückziehen des Filaments bei Leerfahrten) ist es mir nicht gelungen, dieses Stringing zu eliminieren. Das Beseitigen der Fäden nimmt zwar einige Zeit in Anspruch, ist jedoch machbar.
Bislang keine Lösung gefunden habe ich jedoch für folgendes Problem: Ist die zu druckende Fläche einer Schicht so klein, dass die notwendige Zeit unter 20 Sekunden sinkt, senkt die SW die Druckgeschwindigkeit (Vorschub und Fördergeschwindigkeit), damit die gedruckte Schicht auskühlen kann, bevor die nächste draufkommt. Das scheint Polycast nicht zu vertragen, es bilden sich so massiv Bläschen, dass der Druck regelrecht in die Hosen gehen kann:
Es ist durchaus möglich, das dies durch Feuchte im Material verursacht wird. Ich werde das noch untersuchen und vielleicht in eine spezielle Box mit Feuchtigkeitsanzeige investieren, in der man mit Hilfe von Silicagel das Filament trocken halten kann.
Der Vollständigkeit halber: Das dritte Material für Feingussmodelle wird von machinablewax.com in den USA vertrieben, deshalb für Kleinlieferungen an Endkunden in Europa nicht interessant.
Die beiden großen Unbekannten beim Herstellen von Gussteilen:
1) Fließt das Metall überall rein, und
2) wie sehr wird es schrumpfen?
Edelstahl ist wesentlich dünnflüssiger als schwarzer Stahl, also klare Wahl (hier 1.4301, den die Gießerei sehr oft gießt). Die Schwindung wird allgemein mit 1,6 % angegeben, ist jedoch stark von Form und Wandstärke des Teils abhängig. Beim Abkühlen findet aufgrund unterschiedlicher Ausdehnung ein Kräftemessen zwischen Keramikform und Metall statt; wird das Metall durch innen liegende Formbereiche festgehalten, schrumpft es z.B. kaum in der Länge und statt dessen in der Wandstärke.
Aus diesem Grund wählte ich für die zweite Tranche Gussteile, bei denen Maßhaltigkeit für den Einsatz nicht so wichtig ist, sowie einige typische Formen, um daran das Schrumpfverhalten zu testen und auszuprobieren, was überhaupt geht. Alle Modelle machte ich mit den angegebenen +1,6 %, die fertigen Teile sind jetzt größer als erwünscht. Nach Abklopfen der Keramikform werden die Teile in der Gießerei sandgestrahlt, das hinterlässt eine stumpfe, fast mineralisch wirkende Oberfläche (Zustand auf den Fotos), die man durch Bürsten auf “normales”, glänzend metallisches Aussehen bringen kann (wobei jedoch etwaige Oberflächenfehler um so mehr hervortreten). Was für eine Oberflächenbehandlung für ein akzeptables Erscheinungsbild fertig angestrichener Teile notwendig ist, muss ich erst noch ausprobieren. Außer Fehlern, die schon an den Modellen waren, sind an manchen Stellen der Teile scharfkantige Vertiefungen zu sehen, verursacht durch Keramikkrümel, die sich beim Gießen immer mal lockern und dann irgendwo in der Form an einer Oberfläche angeschwemmt kleben bleiben – damit muss man leben.
Hier nun meine Gussteile in rohem Zustand direkt aus der Gießerei, noch mit Angüssen:
1. Bremszylinder mit Deckel, Bremshebel und Bremswellenlager
Diese Teile sind total unkritisch und können problemlos verwendet werden, ob nun etwas mehr oder weniger geschrumpft. :
Der obere Flansch und der zugepfropfte Rohranschluss am Zylinder (der “echte” ist dann im Boden) wurden separat gedruckt und dann angeklebt. Die anderen Teile sind jeweils aus einem Stück, aus den Gabeln des Bremshebels wurden nach dem Drucken Hilfsstützen entfernt (man kann nicht in die Luft drucken). Alle hier sichtbaren Öffnungen wurden direkt gegossen (manche an einer Seite geschlossen, da dem Stahlfluss im Wege), von diversen durchgehenden Schraubenlöchern blieben jedoch nur die größten am Lager erhalten (D 3,6) , dafür jedoch einwandfrei. Die Rippen am Deckel sind nur 1,2 mm stark, zwei wurden durch das Sandstrahlen leicht verbogen. Hochgebogen haben sich durch das sukzessive Abkühlen von außen nach innen auch die Ecken am Zylinderboden, wurden später flachgeklopft. In die große Wellenbohrung des Bremshebels (D = 12 mm) ist Metall ausgetreten, wahrscheinlich war die Formmasse dort zwischen den einzelnen Tauchvorgängen nicht ganz ausgetrocknet. Erwartungsgemäß ist der Deckel stärker geschrumpft als der Zylinder.
Fortsetzung folgt (es passen nur 10.000 Zeichen in einen Beitrag 
)
Bis auf eine kleine Aussparung rechts im unteren Band des Schwingenträgers...