PROJEKT ACC - Additive Herstellung von Gussformen für große Metallgusskomponenten von Offshore-Windkraftanlagen; Schlussbericht für das Teilvorhaben: Entwicklung der materialwissenschaftlichen und fertigungstechnischen Grundlagen für die additive Fertigung großer Sandgussformen

Abstract

Im Rahmen des Verbundprojekts ACC (Advanced Casting Cell) bestand die Aufgabe des Fraunhofer IGCV in der Entwicklung der materialwissenschaftlichen und fertigungstechnischen Grundlagen für die additive Fertigung großer Sandgussformen. Das Projekt zielte darauf ab, die Herstellung von Gussformen für große Metallgusskomponenten von Offshore-Windkraftanlagen durch additive Fertigungsverfahren zu revolutionieren.

Die konventionelle Herstellung großer Gussformen erfolgt überwiegend manuell und ist geprägt von hohem Arbeitsaufwand, langer Fertigungszeit und begrenzter Maßgenauigkeit. In der Regel werden dafür Negativ- oder Positivmodelle aus Holz, Styropor oder Verbundmaterialien mit sandgebundenen Verfahren wie Furan oder Lost-Foam abgeformt. Diese Methoden sind personalintensiv, führen zu hohen Fertigungskosten und verlangen aufgrund begrenzter Formgenauigkeit große Bearbeitungszugaben.

Die additive Fertigung mittels Binder-Jetting bietet das Potenzial, diese Limitierungen zu überwinden. Durch den schichtweisen Aufbau können komplexe Geometrien ohne Werkzeuge direkt aus CAD-Daten hergestellt werden. Dies ermöglicht höhere Maßgenauigkeit, kürzere Durchlaufzeiten und größere Gestaltungsfreiheit bei gleichzeitiger Reduktion von Material- und Personalaufwand.

Die Herausforderung liegt in der Größe und der Masse der gedruckten Formen. Hier stehen im Projekt die Produktivität der Anlagen, die Postprozesse und die Materialkreisläufe im Vordergrund. Die Herangehensweise kann als Produktionstechnik nur Akzeptanz finden, wenn die Wirtschaftlichkeit gegenüber der konventionellen Produktionstechnik dargestellt werden kann.

Bei der Umsetzung dieser Vision im Projekt ACC übernahm das Fraunhofer IGCV folgende Hauptaufgaben: Die Entwicklung optimierter Formkonzepte unter Berücksichtigung mechanischer und thermischer Simulationen sowie Topologieoptimierung im Arbeitspaket 2 (Design und Simulation der Gussform). Im Arbeitspaket 4 (Materialentwicklung) wurden Sand, Bindemittel, Aktivator sowie deren Reaktionskinetik und Recyclingfähigkeit untersucht und optimiert. Darüber hinaus unterstützte das Institut die Prozessentwicklung durch die Entwicklung von Recoating-Konzepten und die Durchführung von Testabgüssen im Arbeitspaket 5. Im Bereich der Qualitätskontrolle (Arbeitspaket 6) wurde die Integration von Messtechnik zur Online-Prozessüberwachung vorangetrieben.