Neue Wege in der additiven Fertigung: Metallguss mit 3D-Druck

Das beweist ausgerechnet ein Lösungsanbieter aus dem Bereich 3D-Druck: MAKRA PRO aus dem fränkischen Schlüsselfeld entwickelt und fertigt eigentlich 3D-gedruckte Bauteile und Lösungen für Kunden aus unterschiedlichsten Branchen. Dabei kommen alle drei wichtigen Verfahren des 3D-Drucks zum Einsatz: Stereolithografie (SLA), Selektives Lasersintern (SLS) und Fused Filament Fabrication (FFF).

Seit kurzem gehört auch der Metallguss dazu. Und das kam so:

Metallguss mit 3D-Druck: beschleunigte Gussprozesse durch digitale Fertigung

Der 3D-Druck ist eine dynamische Branche mit kurzen Innovationszyklen und dem Mut, neue Dinge auszuprobieren. Im Team von MAKRA PRO gab es daher schon länger Überlegungen, 3D-Druck und Metallguss zu kombinieren. Da MAKRA PRO bereits intensiv mit Schaumteilen, Silikon und PU arbeitet, lag die Überlegung nahe, ähnliche Prinzipien auch auf den Metallguss zu übertragen.

Denn für den sogenannten Metallguss in der verlorenen Form müssen mit hohem Aufwand Urmodelle gebaut, davon Formen abgenommen und diese mit Wachs ausgegossen werden. Diese Wachs-Rohlinge müssen mit Gusskanälen versehen werden, um ein vervielfältigbares Modell zu haben, von dem schlussendlich ein Guss gefertigt werden kann. Diese Vorarbeiten machen oft den Großteil der Kosten eines Gusses aus – und machen den Metallguss für kleine Stückzahlen oft zu teuer. Die Idee war deshalb, diesen arbeits- und zeitintensiven Prozess abzukürzen, und die Wachsmodelle einfach direkt zu drucken.

Doch richtig konkret wurden diese Überlegungen erst mit einem Kundenauftrag: Ein wichtiger Kunde benötigte schnell einen individuell gefertigten Pokal. Bisher hatte das immer eine kleine Metallgießerei übernommen, die jetzt aus Altersgründen aufgehört hatte. Andere Gießereien konnten dieses Prestigeprojekt nicht rechtzeitig umsetzen. Denn normalerweise dauern klassische Gussprozesse etwa sieben bis zehn Wochen. In diesem Fall standen jedoch nur rund drei Wochen zur Verfügung. Genau diese Situation machte den Einsatz additiver Fertigung besonders interessant und immer offen für neues, nahm MAKRA PRO diese Herausforderung an.

Rapid Casting: Vom Experiment zum Routine-Prozess

Der Metallguss verlangt viel Fachwissen und Erfahrung, die bei MAKRA PRO zu Projektbeginn nicht vorhanden waren. „Eine unserer ersten Überlegungen war, das Objekt aus einem Material mit sehr hohem Kupferanteil zu drucken. Es hat sich aber gezeigt, dass damit die geplante galvanische Oberflächenveredelung nicht funktioniert,“ erinnert sich Gründer und Geschäftsführer Matthias Krabel. „Also haben wir uns daran gemacht, mit unserem Wissen im 3D-Druck ein funktionierendes und reproduzierbares Verfahren für den Metallguss zu entwickeln.“

Die Kombination aus additiver Fertigung und klassischem Guss bringt ganz eigene Herausforderungen mit sich. Gerade beim Materialverständnis und der praktischen Erfahrung erwies sich der Austausch mit erfahrenen Gießereien und Experten als sehr wertvoll.

Dennoch musste vieles neu gedacht werden. Und hier spielt der 3D-Druck, wie auch im gesamten Gussprozess, eine zentrale Rolle. Die Urmodelle werden aus Formlabs True Cast Resin gedruckt und anschließend in speziellen Juweliergips eingebettet. Dieses Resin verdampft beim Ausbrennen der Gussform rückstandsfrei. Die Form wird anschließend wie beim klassischen Feinguss in der verlorenen Form mit Bronze ausgegossen.

Auch viele Komponenten, Versuchsbauten und Hilfssysteme entstanden als Eigenentwicklungen und im 3D-Druck. Dazu gehören unter anderem selbst gebaute Muffeln sowie individuelle Prozess- und Gusslösungen.

Bis allerdings die Ergebnisse den Erwartungen entsprachen, waren viele Versuche und Feinabstimmungen hinsichtlich Temperaturen, Zeiten und Legierungen erforderlich. Das Team investierte viel Zeit in Tests, Optimierungen und Entwicklungsarbeit.

Doch der Aufwand für dieses Pilotprojekt hat sich gelohnt: Mittlerweile beherrschen die Schlüsselfelder jedoch den gesamten Prozess und gießen unterschiedlichste Objekte bis etwa 300 Millimeter Höhe sowie rund 150 bis 200 Millimeter Durchmesser in Bronze.

Hohe Präzision trifft auf Flexibilität im Prozess

Eine besondere Stärke des Feingusses ist seine hohe Detailtreue. Hier steht der Wachsdruck aus digitaler Fertigung den bisherigen Abformverfahren in nichts nach: Selbst feinste Texturen, Nähte oder Prägungen bleiben später im fertigen Bronze-Bauteil sichtbar. Bei einem von MAKRA PRO gegossenen Schuh waren kleinste Strukturen und textile Oberflächen später noch deutlich im Metall sichtbar.

Gleichzeitig lassen sich im Fertigungsprozess an jeder Stelle mit relativ wenig Aufwand und ohne Verzögerung Änderungen vornehmen: Beispielsweise schwindet Metall beim Abkühlen. Dieser Schwund muss beim Urmodell berücksichtigt werden, damit das fertige Gussstück innerhalb der geforderten Toleranzen bleibt. Da jedes Metall ein anderes Schwindverhalten hat, lassen sich Urmodelle immer nur für dieses Metall verwenden. Wechsel des Metalls oder Anpassungen sind daher mit hohem Aufwand verbunden.

Anders beim 3D-Wachsdruck für den Guss: Je nach erwartetem Schwund kann das Urmodell einfach passend skaliert und gedruckt werden. Und gerade kritische Bereiche wie Eingüsse und Anschnitte können deutlich flexibler konstruiert werden als bei klassischen Verfahren. Das ermöglicht, den gesamten Prozess extrem schnell anzupassen, zu optimieren und reproduzierbar zu machen.

Fazit: Metallguss und 3D-Druck – diese Kombination hat Potential

Mit Wachsmodellen direkt aus dem 3D-Drucker lassen sich Gussprozesse deutlich beschleunigen und flexibler handhaben. Das senkt auch die Stückkosten und macht den Metalldruck auch für neue Anwendungen attraktiv. Besonders spannend sind dabei gedruckte Wachsteile, flexible Kleinserien sowie schnelle Entwicklungszyklen. MAKRA PRO will hier künftig noch tiefer in Themen wie Kupferguss, Neusilberfeinguss, dünnwandige Bauteile, größere Gussteile sowie elektrisch leitfähige Komponenten einsteigen und sich langfristig als flexibler Partner für spontane und zeitkritische Gussprojekte etablieren. Für Matthias Krabel steht dabei weniger die Fertigung im Vordergrund, sondern die Lösungsentwicklung: „Wir verstehen uns weniger als reiner 3D-Druckdienstleister, sondern vor allem als Entwicklungs- und Lösungspartner. Für uns stehen das Experimentieren, Optimieren und das intelligente Kombinieren verschiedener Fertigungstechnologien im Mittelpunkt. Denn dadurch entstehen die neuen Lösungen, die unsere Kunden den entscheidenden Vorsprung verschaffen.“