Amazone testet neue Fertigungsverfahren mit den Designfreiheiten der additiven Fertigung

Landmaschinenhersteller Amazone nutzt Simulationssoftware von Altair und 3D-Druck von voxeljet für die Optimierung einer Fahrwerksschwinge.

Innovationsprojekt: Der deutsche Landmaschinenhersteller Amazone konnte 18 % Gewicht bei der Herstellung eines Prototyps für neuartige Fahrwerksschwingen einsparen. Denn der Familienbetrieb aus Hasbergen bei Osnabrück druckte die Sandformen und -kerne für den Metallguss kurzerhand mit dem industriell weltgrößten 3D-Drucker für Sandformen VX4000 – ganz ohne teure Spezialwerkzeuge und nur mit einer CAD-Datei.

Optimierung einer Fahrwerksschwinge durch 3D-Druck von voxeljet

Unaufhaltsam schreitet die Evolution der Eggen voran, die Landwirte mit dem Traktor ziehen, um den Boden aufzulockern und auf das Säen vorzubereiten. Hersteller sind stets darum bemüht, die Geräte stabiler, langlebiger und gleichzeitig leichter zu machen, um beispielsweise die zulässigen Achslasten bei der Straßenfahrt einzuhalten. Unter ihnen Amazone, ein Familienunternehmen aus Hasbergen bei Osnabrück, das die Kompaktscheibenegge Catros mit Schwenkfahrwerk produziert. Dabei handelt es sich um ein gezogenes Gerät, das am Schlepper befestigt wird und in unterschiedlichen Konfigurationen zum Einsatz kommen kann. Die Kompaktscheibenegge wird für die flache und intensiv mischende Bodenbearbeitung eingesetzt, für eine Arbeitstiefe von bis zu 15 Zentimetern.

In der CAD Software entsteht ein Guss-Design nach Leichtbauweise

Die Fahrwerksschwinge verbindet das Gerät mit der Achse, um einen Transport des Gerätes vom Hof zum Feld zu ermöglichen. Die ursprüngliche Schweißkonstruktion mit einem Gewicht von 245 Kilogramm und einer Schweißnahtlänge von 16,5 Metern war sehr komplex und fertigungsintensiv. Um Kosten zu reduzieren und das Bauteil stabiler und leichter zu gestalten, hat sich Amazone dazu entschieden, die Fahrwerksschwinge durch eine Gussbaugruppe zu ersetzen. Mithilfe der Topologieoptimierungssoftware „Inspire“ von Altair konnte das Entwicklerteam von Amazone ein lastgerechtes und gießfähiges Design ableiten.

Deutlich leichter, stabiler und langlebiger

Dank der kraftgerechten Verteilung des Materials ist die gegossene Schwinge über 45 Kilogramm leichter als die Schweißbaugruppe. Durch diese Aussparungen erhält die Form eine Optik, die an Baumstrukturen oder Vogelknochen erinnern. Gleichzeitig sorgt die neue Formgebung für eine um 272 Prozent längere Lebensdauer, da das Design Steifigkeitssprünge in dem Gussbauteil im Vergleich zur Schweißbaugruppe vermeidet. Um die Materialgüte zu gewährleisten, haben die Experten von Altair mit der Inspire-Software zudem die Strömungen des Metalls während des Gießens simuliert. So konnten sie die Gefahr interner Defekte durch eingeschlossene Gase schon vor dem eigentlichen Gießprozess senken und damit die Qualität der Gussteile optimieren.

Dank der optimierten, lastgerechten Gestaltung der Gussausführung konnte für die dritte Evolutionsstufe der Heckschwinge eine Erhöhung der Lebensdauer um einen Faktor 2,5 bei einer gleichzeitigen Gewichtsreduktion um ca. 18 % um Vergleich zur Schweißbaugruppe, erzielt werden.

Sebastian Kluge
Amazone

Das Erstellen der Sandform mittels 3D-Druck ermöglicht eine schnelle Beschaffung von Prototypenbauteilen und somit eine starke Reduzierung von Entwicklungszeiten.

Für aufwendige Strukturen, Designfreiheit und 300 dpi Auflösung aus dem 3D-Drucker

voxeljet hat die CAD-Datei des Bauteils zunächst in eine negative CAD-Datei umgewandelt, um die vierteilige Gussform digital darzustellen. Mit diesen Daten haben die Mitarbeiter das 3D-Drucksystem gefüttert. Dann begann der Druck. Dabei bereitet ein sogenannter Beschichter das Druckmaterial (Quarzsand) auf der Bauplattform aus.

Anschließend fährt der Druckkopf über die Plattform und bindet die Sandkörner mit einem Bindemittel zusammen – entsprechend der Objektgeometrie aus der CAD-Datei. Dabei arbeitet der Druckkopf mit einer Auflösung von 300 dpi. Während die Bauplattform selbst statisch bleibt, erhöhen Beschichter und Druckkopf sukzessive ihre Arbeitshöhe um 300 Mikrometer, solange, bis die Gussform fertig ist.

Nach Abschluss des Druckvorgangs entfernen Mitarbeiter die mit gedruckten Seitenwände der Bauplattform und lösen den unverdruckten Quarzsand. Übrig bleibt die Gussform, die sofort verwendbar ist. Die Gießerei (Pro Cast Guss aus Gütersloh) versieht die Gussform im Anschluss lediglich mit einer Schlichte – eine Sperrschicht zwischen Sand und Metall, welche die Gussform vor der thermischen Belastung schützt.

Trotz alledem ist die Form nach dem Gießen verloren – genau wie klassische Gussformen (Sandform). Sie wird beim Entkernen der gegossenen Fahrwerksschwinge zerstört. Dank der vorherigen Click2Cast Gusssimulation im Rechner verlief der Guss beim ersten Mal in Originalgröße optimal.

Druckprozess der vx4000 von voxeljet

Zeitersparnis durch 3D-Druck

Die Herstellung von Gussformen für ein solches komplexes Bauteil ist in der Regel  zeitaufwendig – unter anderem, weil aufwändige Spezialwerkzeuge notwendig sind. Deswegen hat Altair umgedacht und auf der VX4000 von voxeljet gesetzt – den größten industriellen 3D-Drucker der Welt für die Herstellung von 3D Sandformen mit einem Bauraum von 4.000 x 2.000 x 1.000 Millimetern.

Da der Aufwand des 3D-Drucks unabhängig von der Komplexität des Bauteils ist, lassen sich selbst schwierige Geometrien kostengünstig realisieren.

Tobias King,
Director Marketing & Application
voxeljet

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