Kernschießen vs. 3-D-Kerndruck

September 26, 2016

Innovationsbeschleuniger im Motorenbau Mahle König setzt auf 3-D-gedruckte Sandkerne von ExOne

Mahle König aus Rankweil in Österreich zählt zu den weltweit führenden Herstellern von Komponenten für Hochleistungsmotoren in den Bereichen Freizeit und Motorrad, Industrie und High-Performance. Ein Grund für die starke Marktposition: innovative Verfahren wie die 3-D-Drucktechnologie von ExOne aus Gersthofen. Noch setzt Mahle König diese Zukunftstechnologie für die Serienfertigung von kleinen bis mittleren Losgrößen ein. Doch das Potenzial ist noch lange nicht ausgeschöpft, wie der Technische Leiter Dr. Georg Geier im Gespräch erklärt.

Mahle König setzte in der Serienproduktion von Motoren und Komponenten frühzeitig auf 3-D-Druck-Verfahren. Ist Ihr Unternehmen hier so etwas wie ein Pionier?

Das kann man durchaus so sagen. Der Einsatz modernster Fertigungsweisen war schon immer Teil der Unternehmensphilosophie. Mahle König hat sich seit der Gründung durch Carl König als Technologietreiber verstanden. Heute sind wir Vorreiter in unseren Segmenten und das verdanken wir nicht zuletzt einer engen Entwicklungspartnerschaft mit unseren Kunden.

Welchen Vorteil hat ihr Unternehmen durch diese Partnerschaften?

Nun ja, durch sie können wir bei Zwei- und Viertaktern sowie bei Diesel- und Gasaggregaten viele Produkte mit außerordentlicher Leistung, effizientem Verbrauch und geringen Emissionen realisieren. Möglich wird das auch durch die Entwicklung und Fertigung von Zylindern, Zylinderköpfen, Kolben und Kolbenringen aus einer Hand.

Also durch die Kompetenz des Unternehmens und seiner Mitarbeiter?

Ja, richtig. Zusätzlich ist jedoch eine optimale Entwicklungsumgebung wichtig, für die wir bei Mahle König sorgen. Hier beziehen wir neueste und serientaugliche Fertigungstechnologien als wesentlichen Baustein ein, um wegweisende neue Motoren zu entwickeln und zu fertigen. Der 3-D-Druck gehört ohne Zweifel zu diesen Technologien.

Sind solche Technologien auch ein Weg, Herausforderungen zu begegnen, mit denen der Markt für Motorenbau allgemein und Mahle König im Speziellen konfrontiert wird?

Auf jeden Fall. Globale Märkte werden in Zukunft von zwei diametral gegensätzlichen Paradigmen geprägt. Auf der einen Seite fordern Kunden für ihre Zielgruppen maßgeschneiderte Produkte, die höchste Leistung, Qualität und Verlässlichkeit vereinen – und das teils auch bei widrigster Umgebung mit hoher Temperatur, reichlich Staub oder Luftfeuchtigkeit. Auf der anderen Seite erwarten die Kunden sehr ökonomische und ressourcenschonende Antriebe, die auch immer leichter werden.

Welche Chancen ergeben sich dadurch für Zulieferer?

Ganz klar: mehr Wachstum; das ist essentiell. Denn Hersteller suchen heute sehr gezielt nach extrem anpassungsfähigen Zulieferern, die für sie in immer kürzerer Zeit eine große Anzahl von Varianten neuer Produkte produzieren und das ohne Einschränkung in der Qualität. Es geht hierbei um Klein- und Kleinstserien mit immer komplexeren und anspruchsvolleren Geometrien, für deren Herstellung Technologien bestimmende Erfolgsfaktoren sind.

Und welche Rolle spielt der 3-D-Druck dabei?

Leistungsfähiger 3-D-Druck gehört heute zu den Schlüsseltechnologien zum Produktionserhalt in Hochlohnländern. Für uns ist der 3-D-Druck von Sandkernen zudem eine Chance, um unseren Technologievorsprung im Motorenbau auszubauen und dem Fertigungsstandort Österreich durch neue Fähigkeiten weiter eine Alleinstellung im Markt zu sichern. Wir sehen unsere Stärke in einem überlegenen Engineering und im Einsatz intelligenter Technologien. So möchten wir langfristig Vorteile in der intelligenten, hochflexiblen Serienproduktion ausbauen und uns so deutlich vom internationalen Wettbewerb abgrenzen. Dafür setzen wir auf eine vernetze Digitalisierung der gesamten Produktionskette: sowohl im Prototyping und in der Produktentwicklung als auch bei der Flexibilisierung sowie der Qualitäts- und Effizienzsteigerung der Serienproduktion.

Können Sie uns kurz die Vorteile des 3-D-Drucks von Sandkernen im Vergleich zum klassischen Herstellungsverfahren nennen?

Gern! Im Vergleich zur klassischen Herstellung bietet der 3-DDruck enormes Innovationspotenzial, sowohl in der Entwicklung als auch in der Optimierung und Flexibilisierung der Serienfertigung. Wir können das Gesamtpotenzial dieser Technologie für eine global vernetzte digitale Produktion heute noch gar nicht abschätzen. Aber bereits heute zeigen ganz konkrete Beispiele, wie stark der 3-D-Druck die Zukunft in der Branche verändern wird und zwar in allen Bereichen: in der Konstruktion, der Prozess- und Produktqualität sowie in der Flexibilisierung und Fertigungsoptimierung.

Vorteile des 3-D-Druckens gegenüber dem Kernschießen

 

> CAD-Konstruktion: Zerlegen von komplizierten Innengeometrien entfällt, Formteilungskonstruktion, Entformschrägen und Kernschlösser entfallen, Druckleisten sind nicht erforderlich

> CAM-Werkzeugfertigung: Kernkästen und Modelle sind nicht nötig, Montagelehren entfallen

> Erstmuster: Funktionsprüfung/ Einschießen entfällt, notwendige Anpassungen (Entlüftung etc.) entfallen, Binderabhängig entfällt die Trocknung und das Schlichten der Kerne, Entgraten nicht erforderlich, Werkzeuganpassungen auf Basis der Messergebnisse entfällt

> Kosten: Geringere Investitions- und Änderungskosten, keine Werkzeugwartungs und -lagerkosten, keine Versicherungskosten der Werkzeuge

> Zeit: Kürzere Änderungszeiträume und Entwicklungszeiten, mehrere Versuche in einem Schritt möglich

> Prozesssicherheit: Reduzierung der Einzelbauteile, Entfall manueller Tätigkeiten (Montagen), geringerer Prüfaufwand

> Produktivität: Kein Werkzeugverschleiß, keine Gefahr des Werkzeugverlustes, hohe Änderungsfreundlichkeit ohne Beeinflussung der Serie, unkomplizierte Produktionsverlagerung von einer zur anderen Gießerei, einfacher Binderwechsel

 

Was wären denn konkrete Beispiele?

Die immer komplexer werdenden Geometrien, die man für höchste Performance der immer leichteren und verbrauchsarmen Motoren benötigt, sind ein gutes Beispiel. Um diese weiter zu verbessern müssen die Fertigungstoleranzen immer weiter eingeschränkt werden. Dabei stoßen herkömmliche Produktionsverfahren zunehmend an Grenzen. Im digitalen Druck von Sandkernen ist es möglich, solche aufwendigen Geometrien nicht in einem mehrteiligen Kernpaket sondern in einem einzelnen Kern darzustellen. Das bedeutet: keine Formschrägen, Losteile müssen nicht berücksichtigt werden, Hinterschnitte sind möglich. Nicht zu unterschätzen ist auch, dass speziell beim Aluminiumkokillengießen der Schlichteprozess wegfällt, wenn die Kerne digital hergestellt werden. Während eines Prozesses, den es nicht mehr gibt, entstehen keine Fehler.

Ist der 3-D-Druck denn bereits für alle Losgrößen in gleichem Maße rentabel?

Noch nicht. Das 3-D-Sanddrucken halten wir derzeit bei Serien von kleinen bis mittleren Losgrößen für interessant. Bei Großserien sind wir derzeit noch etwas skeptisch. Wie gesagt, noch! Wir rechnen damit, dass das Verfahren durch die zunehmende Druckgeschwindigkeit und eine wachsende Fähigkeit, Varianten und Änderungen auch in der Serie auszuprägen schon bald an Potenzial zulegt. In Zukunft stellt dann das Verfahren selbst für größere Serien eine intelligente Alternative zur konventionellen Technik dar – möglicherweise auch im Hybridbetrieb. Wir sehen den heutigen Einstieg in die 3-D-Sandrucktechnologie deshalb auch als Investition in die Zukunft, da wir bereits heute Prozesse an die geforderte Dynamik der digitalen Industrie anpassen können.

Können Sie noch etwas mehr zum Zukunftspotenzial der Technologie sagen?

Der 3-D-Druck hat bspw. enormes Zukunftspotenzial im BereichForschung und Entwicklung. Mit ihm kann man Geometrien realisieren, die bisher in konventionellen Verfahren nicht realisierbar waren. Das ebnet Wege für die Konstruktion neuer Motoren, die bislang schlicht undenkbar waren. Gleichzeitig ermöglicht der „einteilige Kern“ durch den Wegfall der manuellen Kernmontage eine immer präzisere Reproduktion. Sie erhöht nicht nur die Prozesssicherheit deutlich, sondern reduziert auch Prüfaufwände und den Ausschuss in der Produktion nachhaltig.

Hat das auch Einfluss auf Entwicklungs- und Lieferzeiten?

Auf jeden Fall. Durch Reduzierung oder den Wegfall kosten und zeitintensiver Werkzeugprozesse ist Mahle König bereits heute in der Lage, Liefer- und Entwicklungszeiten deutlich zu reduzieren. Serienparallele Entwicklungen werden unter diesen Rahmenbedingungen viel interessanter. Das Gleiche gilt natürlich für die flexible Ausprägung von Varianten, Kleinserien oder Sonderausführungen – beispielweise Racing-Varianten von Standardmotoren. Da die Änderungen direkt als CAD (ohne Werkzeuge) in die Produktion übergeben werden, fließen sie nahezu in Echtzeit in die Produktion ein. Die Gefahr einer Beschädigung durch Fehler in der Produktion und Verschleiß von Werkzeugen existiert in diesem digitalen Produktionsumfeld nicht.

Wie sieht es mit der Umweltverträglichkeit der Technologie aus? Achten Sie auf so etwas?

Natürlich! Wir realisieren 3-D-Druck heute mit einem umweltfreundlichen Bindersystem auf Silikatbasis. So verbinden wir innovative Möglichkeiten der digitalen Kernherstellung mit einer ressourcenschonenden und vor allem emissionsarmen Fertigung. Gerade die Reduktion von Geruchsemissionen ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber organischen Bindersystemen. Für uns ist das ein weiterer und wichtiger Schritt für eine effiziente und nachhaltige Produktion am Standort Österreich. Gab es für Sie darüber hinaus weitere Gründe sich für den Silikatbinder von ExOne zu entscheiden? Mit der Möglichkeit von ExOne, als erster und, soweit wir wissen, bisher einziger Anbieter eine marktreife Lösung zur Herstellung und Verarbeitung von anorganischen Kernen auf Silikatbasis im 3-D-Druck anzubieten, können wir rasch und unkompliziert die technischen Vorteile dieses Verfahrens für unsere Fertigung nutzen: Vermeidung von gasbedingten Fehlern im Gussbauteil sowie Verhinderung von Kondensatbildung in der Kokille und damit wesentlich geringere Reinigungsaufwände. Das sind für eine Kokillengussfertigung, wie in unserem Haus, überzeugende Argumente für diese Technologie.

Sie arbeiten beim 3-D-Drucken mit dem Unternehmen ExOne zusammen. Was hat den Ausschlag für diese Entscheidung gegeben?

Die gute Zusammenarbeit. Höchstleistungen entstehen aus unserer Sicht auf der Basis enger und partnerschaftlicher Zusammenarbeit. Solch eine Kooperation können all unsere Kunden von uns erwarten. Und wir erwarten sie von unseren Dienstleistern. Mit ExOne haben wir da den richtigen Partner gefunden.

Gibt es noch weitere Gründe?

ExOne hat aus unserer Sicht das überzeugendste Technologiepaket für das 3-D-Sanddrucken. Darüber hinaus überzeugte uns das Unternehmen von Anfang an durch ein hohes Verständnis für unsere Aufgabenstellungen und Produkte. Und es kommt noch ein entscheidender Faktor hinzu. Gerade in einem derart ressourcenintensiven Prozess wie dem Gießen möchten wir jeden einzelnen Prozessschritt so umweltverträglich und emissionsfrei wie möglich gestalten. ExOne unterstützt uns dabei. Als erster und, soweit wir wissen, bisher einziger Anbieter hat ExOne eine marktreife Lösung zur Herstellung und Verarbeitung der Sandkerne im Programm, bei der moderne ökologisch neutrale Bindemittel genutzt werden. So ermöglicht uns der digitale 3-D-Druck mit der ExOne-Technologie nicht zuletzt auch das Reduzieren von Emissionen bei der Kerntrocknung und beim Vergießen.

Vielen Dank für das Gespräch!

www.exone.com

www.koenig-kg.at