Gießereikerne

Gießereikerne sind ein wesentlicher Bestandteil der Herstellung von Klingen für Verbrennungsmotoren. Die Klingen werden verwendet, um den Motor während des Einsatzes abzukühlen, die Funktionsweise des Motors zu erleichtern, den Kraftstoffverbrauch zu senken und die Emissionen des Motors zu verringern. Der Bedarf an einem komplexen Kerndesign ist mit den Kundenwünschen nach kleineren, effizienteren und kostengünstigeren Motoren gestiegen. 

Diese neuen komplexen Kerne können nur schwer mit den traditionellen Methoden hergestellt werden, da ein Netz von internen Durchgängen und Kammern vorhanden sein muss, die den Luftstrom zur Kühlung der Motoren fördern.

Welche Auswirkungen kann die Verteilungstechnologie des 3D-Keramikdrucks auf Gießereikernproduktion in der Zukunft haben?

3DCERAM-SINTO hat das Verfahren zur Herstellung von keramischen Gießereikernen für Turbinenschaufeln entwickelt. Traditionell waren Gusskerne oder Gießereikerne ein wesentlicher, aber komplexer Prozess, der viele Schritte im Herstellungsprozess von Turbinenschaufeln umfasst. Der Keramikkern ist das Opfermaterial, das als Negativ verwendet wird, sobald die Legierung über den Kern geschmolzen ist.

Bisher war dies ein zeit- und arbeitsintensiver Prozess. Heute werden Entwürfe der Gießereikerne immer komplexer. Um einen porösen Keramikgießereikern herzustellen, muss der Kern in mehrere Teile zerlegt werden und diese dann manuell zusammengesetzt werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass irgendwo im Produktions-prozess ein Problem auftritt ist hoch. Hauptsächlich besteht das Risiko während des Zusammenklebens der vielen Teile. Daher kann es eine extrem hohe Abfallrate geben. Die Vorlaufzeit für die Entwicklung neuer Formen von Kernen kann aufgrund der komplexen Natur der Formen sehr lang sein. Dies führt zu dem Problem, dass während der Produktion kleine Änderungen an den Kernen vorgenommen werden können.

 

Arten des Formens

Es gibt 3 Arten von Formteilen: Equiax-Guss, gerichtet erstarrtes Gießen und Einzelguss Kristallguss. Das sind alle Methoden, die in der traditionellen Kernproduktionsindustrie angewendet werden.

  • Equiax Casting ist die billigste und schnellste Methode. Dabei werden die Außenwände der Form auf knapp unter die Temperatur der Erstarrung von Metall erhitzt. Sobald das Metall geschmolzen ist, härtet es sehr schnell aus und es entstehen Polykristalle in ähnlichen Größen auf den Teilen.
  • Richtungsverfestigter Guss (DS) basiert auf dem gleichen Konzept wie Equiax. Die Wände werden jedoch nicht gleichmäßig erwärmt. Ein Temperaturgradient wird von hoch zu niedrig an den Wänden gehalten, während die Legierung auf den Kern geschmolzen wird. Dies entspricht einer Mikrostruktur langer Kristalle, die in der Form der Klinge orientiert sind, die den Widerstand der Klinge während ihrer Bewegung verstärkt.
  • Einkristallguss (SX-Guss) ist ähnlich wie DS. Es gibt jedoch einen Öffner, wodurch sich die Kristalle in der Tasche bilden können. Wenn ein Kristall ausgewählt wird und direkt in die Form geschickt wird, führt dies zu einem höheren mechanischen Widerstand. Der Kern ist somit in alle Richtungen stärker.

Einige der Einschränkungen für die Kernproduktion: Maßgenauigkeit +/- 0,1mm, Strukturfestigkeit, Oberflächenrauheit und Materialporosität

Das sind alles Elemente, die durch die Herstellung von Kernen durch 3D-Druck gesteuert werden können.

Additive Fertigung bringt eine neue Dimension zum üblichen industriellen Prozess. Zusätzlich zur Zeiteinsparung kann man die Produktivität steigern.

Die bahnbrechende Technologie von 3DCeram liefert die folgenden Vorteile:

  •  Flexibilität des Designs
  • Möglichkeit einer erhöhten Komple-xität der Kerne
  • Schnelle Erstellung neuer Designs
  • Bessere Reaktionsfähigkeit und Produktivität
  • Erhöhte Rentabilität
  • Die Stärken der Keramik

Die Steigerung der Produktivität der Kernfertigung ist einer der Höhepunkte der Verwendung der 3D-Druck-Technologie. Mit ihrer Neuentwicklung in der Optimierung können sie eine große Leistung erbringen.

 

Unten finden Sie ein Beispiel für Kerne mit Standardgröße

  • Arbeitsbühne 300 mm x 300 mm (Höhe 100 mm)
  • Verwendetes Material: 3DMIX Aluminiumoxid
  • Größe der hergestellten Kerne: 90 mm x 35 mm x 15 mm

Teile

 

Minimale Kerne pro Plattform

Maximale Kerne pro Plattform

Kern

 

16 ca.

60 ca.

Produktionszeit

 

ca. 35 Stunden

Ca. 140 Stunden

 

Das große Delta in den Zahlen kann dem Herstellungsverfahren zugeschrieben werden. 16 Kerne können hergestellt werden, während Längenwege auf Konformen liegen. Dies verringert die Bauzeit, erhöht aber die Kosten pro Kernverhältnis.

Bei der zweiten Produktion werden die Kerne aufrecht mit einem neuen patentierten System mit intelligenter Stützkonstruktion zwischen den einzelnen Kernen hergestellt. Die komplette Optimierung der Kernproduktion für Großindustrien ist einzigartig bei 3DCERAM SINTO. 3DCERAM hat schlüsselfertige Lösungen entwickelt, damit die industriellen Hersteller von Gießereikernen von der Flexibilität und der Hochleistungsproduktion von Kernen durch den Prozess des 3D-Drucks profitieren können.

 

WAHL DES MATERIALS

Die Wahl der Keramik für die Herstellung von Gießereikernen ist ein sehr wichtiger Bestandteil des 3D-Prozesses. Es gibt einige wichtige Punkte, die die Hersteller von Kernen bei der Entscheidung, welche Keramik verwendet werden soll, berücksichtigen müssen:

  • Die Art der Legierung, die für die Kernproduktion verwendet wird
  • Die Komplexität des Kerns
  • Während der Schmelzphase darf es keine chemische Reaktion zwischen dem Kern und dem Metall geben
  • Die Keramik muss nach erfolgter Schmelzphase löslich sein
  • Ein niedriger Ausdehnungskoeffizient und ein relativ hoher mechanischer Widerstand


           CAD-Datei des Teils                                                      Teil nach dem Drucken und Brennen

 

3DMIX

3DCERAM SINTO entwickelt seit 2001 eigene Pasten zur Verwendung in Verbindung mit ihrer 3D-Druckmaschine die CERAMAKER® 900. Sie haben eine Reihe von Pasten und Suspensionen entwickelt, um optimale Druckergebnisse bei den Gießereikernen zu erzielen. Diese Pasten wurden entwickelt, um eine gleiche Produktqualität wie bei den traditionellen Methoden zu gewährleisten. 3DCERAM hat seine Paste nach den Kriterien des Kunden in vielen Fällen in Form einer On-Demand-Formulierung der keramischen Paste optimiert, um die Parameter der Maschine einzuhalten. Dies hat es den Kunden ermöglicht, ihre "eigenen" Keramikpulver zu verwenden und gleichzeitig die bahnbrechende Technologie des keramischen 3D-Drucks zu nutzen.

 

Die folgenden Keramiken sind bei 3DCERAM erhältlich:

Aluminiumoxid (AI203): Wird mit Nickel, Kobalt, Stahl und Titan in vielen Formen von Kernen verwendet. Sehr gute mechanische Widerstände können mit einer hohen che-mischen Drucklösung schwer aufzulösen sein.  

 

• Quarzglas (Si02): Wird mit Nickel und Aluminium für kom-plexe Kernen verwendet, hat ein hohen Ausdehnungskoeffizient und niedrige mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen, ist leicht mit einer chemischen Lösung aufzulösen

Aluminiumoxid-Kieselsäure (AL203-Si02):

Bei Verwendung mit Equiax-Guss wird Graphit hinzugefügt, um das Auflösen des Kerns zu erleichtern. Das Vorhandensein von Aluminiumoxid verlangsamt die Kristallisation der Kieselsäure, verringert aber auch den mechanischen Widerstand des Kerns.

Zusammen mit diesen Materialien bietet 3DCERAM On-Demand-Services an. Wo ein Kunde beim CERAMMAKER® 900 eine eigene Paste verwenden möchte, berücksichtigt das Expertenteam die Bedürfnisse und Anforderungen des Kunden.

Der Prozess, um neue Pasten für die Kernproduktion zu erhalten:

  • Eigenschaften ihres Pulvers
  • Testen Sie die Reaktivität der Paste nach dem Mischen mit Harz
  • Optimierung des Pulvers und Bestimmung der Maschinenparameter
  • Analyse nach dem Prozess
  • Herstellung von Benchmark-Teilen

Dies hat sich für Hersteller von Kernen als sehr vorteilhaft erwiesen. Traditionell haben sie ihr Pulver nicht verändert, um sich den neuen Technologien anzupassen. Es ist wichtig, Wissen und Know-how für potenzielle Kunden anzubieten, um eine Synergie zwischen dem Parameter der Maschinen und die Eigenschaften des Keramikpulvers zu erzeugen.

Ein Beispiel dafür in der Praxis war die Entwicklung von:

Zirkon Silica: Poröse Keramik mit hoher mechanischer Beständigkeit, sehr stabil bei hohen Temperaturen, verwendet mit allen Legierungen außer Kobalt, kann aufgrund des vorhandenen Zirkons schwierig zu lösen sein

3DCERAM-SINTO hatte die Forderung eines europäischen Luft- und Raumfahrt-kunden, eine Paste mit ihrem Pulver zu entwickeln. Dies war eine große Herausforderung für die Experten von 3DMIX. Nach zwölf Monaten des Entwicklungsprozesses wurde eine Produktion von Kernen begonnen.

 

Fazit

Die Herstellung von Gießereikernen fand bisher auf einem relativ geschlossenen Markt statt, auf dem in den letzten Jahren nur wenig Innovation stattgefunden hat. Durch den Einsatz der 3D-Keramik-drucktechnologie kann die Produktion der Kernherstellung optimiert werden. Der Prozess des 3D-Drucks wird die Herstel-lung komplexer Kerne erleichtern, um langfristige Vorteile für den Endkunden zu erzielen.

Laut einem zehnjährigen Opportunity-Analysepapier von Smartech Markets ist die Zukunft für die keramische additive Fertigung von technischen Keramiken und Kernen vielversprechend.

Der industrielle 3D-Druck von Keramikformen und Gießereikernen wird voraussichtlich das größere Umsatzpotential im prognostizierten 10-Jahres-Zeitraum 2017-2027 haben. Die Verlagerung von der Forschung zur Produktion von technischer Keramik in großem Maßstab wird gefördert. Es wird ein Anstieg der prognostizierten Einnahmen von 8 Millionen auf 1,1 Milliarden geschätzt.

3DCERAM-SINTO sind mit ihrer neuen bahnbrechenden Technologie und ihrem Know-how in der Kernproduktion gut aufgestellt, um die aufregende Zukunft mit hohen Ambitionen anzugehen!

 

Das Unternehmen:

3DCERAM-SINTO (www.3Dceram.com) wurde 2001 gegründet und ein Unternehmen mit Sitz in Limoges, seitdem im Besitz von Christophe Chaput und Richard Gaignon 2009. 3DCeram bündelt eine beispiellose Expertise in der Technologie des 3D-Drucks und bietet ein Komplettpaket durch Begleitung der Kunden bei den von ihnen gewählten Projekten Keramik, Produktionsspezifikation, F & E, Modifikation von 3D-Teilen nur zu Industrialisierung, On-Demand-Produktion, Verkauf der CERMAKER® 900-Drucker und die dazugehörigen Verbrauchsmaterialien

- erstellt von Lea Reischmann

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