3D打印的新视角

一切都在面积大约为60平方米的宽敞和极其干净的房间里进行，里面装有打印机以及一张用于拆包的桌子和一个光学测量系统。通过打印室的大观察窗，可以看到用于硬化模具和型芯的烤箱。在软管和管道之间，天花板上还设有一个黄色的可移动起重机，用于运输大型模具。打印机、外围设备和其他系统的成本：130万欧元。

Klein-Hitpass又高又瘦。凭借他的眼镜，很容易相信他对基于IT的铸造应用充满热情。然而，他的职业生涯最初使他成为一名经典铸工。

在Grunewald学习模型建造，在杜伊斯堡获得铸造工程学位。完成论文后，他回到了位于博霍尔特的公司，在那里完成了学徒生涯。“我从没想过3D打印机会被如此广泛地利用。”他说。他的老板Ulrich Grunewald（在德国博霍尔特和Irxleben设有办事处的同名企业集团董事总经理）以及铸造厂负责人Harald Dieckhues对此表示赞同。

电动汽车的原型组件

2018年底系统安装后，作业箱往往只填满了一半。不过，自去年春天以来，这台机器几乎全天候运行。虽然汽车行业的不确定性目前正在阻碍传统汽车供应商的业务，但Grunewald正受益于3D打印模具和型芯提供的设计自由和轻量化结构的可能性。电动汽车制造商对这些特性的需求特别高，未来几年它们将在汽车中占据越来越大的份额。博霍尔特的团队目前正在为汽车制造商的原型车制造结构零件、驱动技术、底盘和发动机零件以及电池托盘——越来越多地使用原料为砂石的浇铝3D打印零件。Grunewald为仍在测试中的车辆制造零件，并将有资格在预生产测试中将其投放市场，例如瑞典严冬的试驾。

3D砂石打印驱动铸造生产

安装一年多后，对投资风险的任何担忧肯定已经转变为对良好发展的喜悦。从2013年开业的博霍尔特市中心铸造厂的销售情况可以看出，该项目的发展有多好。虽然在购买打印机之前，它在公司总销售额中的份额约为50%，但现在为75%，从而抵消了Grunewald包括工具制造在内的其他领域的销售份额下降，而这些领域在很大程度上依赖于传统的汽车制造行业。

设计自由是3D打印的主要优势之一。由于其复杂性，一些型芯和模具只能通过增材制造来制造。如果还能铸造，就达到了目前铸造技术的技术极限。此外，打印机的速度也同样重要。“根据零件本身的复杂性及工作量，我们比传统的铸造制造至少快4到6周，”Ulrich Grunewald表示这是购买高科技机器的主要原因。一个装有1260升铸造砂（2.14公吨）的作业箱在24小时内完成工作。

为客户和设计师提供更多选择

时间也是客户的论据，Grunewald有史以来最大的“系列”将以更快的速度为他们生产：总共1500个底盘零件，完全使用砂石打印零件组装而成。客户可以选择是否要投资用于制造的压铸模具，或者使用部分使用砂铸工艺制造的打印模具制造零件。后者价格更实惠，因此被选中了。那些不那么急于得到产品并且不需要非常复杂零件的客户仍然可以订购使用图案设备或砂磨模具和型芯制造的铸件。也可以将砂石打印零件与使用图案设备制造的模具和型芯进行任何形式的组合。客户很容易接受的新制造选项。

因此，这台打印机结合了Grunewald的一系列额外优势，这些优势在收购之前甚至都没有被考虑过。“有了打印机，我们现在也被视为一家技术公司。”Grunewald和Dieckhues也表示。因此，3D打印机带来的技术飞跃有助于塑造现代铸造厂的形象。思维方式也在发生变化：

“我们的设计师现在的想法完全不同，因为还可以选择打印模具和型芯，而不仅仅是在我们的半自动模具系统中制造它们，”Grunewald总结道。然后，如果作业箱中还有空间，也可以打印一个额外的型芯——这是在必须以高价购买砂石打印零件时所没有的自由。/p>

一个怪异而微妙的过程

在打印机室，已经发展到讨论3D打印的成本。“与射击型芯相比，打印型芯仍然非常昂贵，”Dieckhues如此说。人们普遍认为这是由于电力成本高昂造成的，然而，铸造厂负责人（其在斯图加特Wilhelm-Maybach-Schule完成了作为铸造大师的培训）认为这种观点是不准确的。能源成本排在第三位，维护和化学品——粘结剂和沙子成本位列第二。“这是一个精细的过程，无法与我们在其他方面使用的强劲的铸造系统相比，”Grunewald描述道。打印喷头可能会堵塞，更换它们可能需要五位数的费用，因此维护成本高昂且棘手。因为该过程复杂且存在许多潜在问题，发挥该系统的优势还需要熟练的工人。

事实上，自90年代中期以来，Grunewald公司一直在试验这项被称为快速原型制作的技术，其试验时间超过25年。在当时，人们对砂烧结的期待大大超过了它所能提供的实际效果：这些零件要么太软，要么太硬，这意味着它们无法使用。Klein-Hitpass当时就对这项技术感兴趣。从那以后，他身边还有一个同事，他最初是在Grunewald接受模型制作培训的，并且在3D打印方面也有多年的经验。这两位专家的知识确实应用到了现下机器的使用当中。

Klein-Hitpass展示了打印后对型芯进行除砂的简便性。这是通过使用ASK化学制造的酚醛冷树脂粘结剂实现的。

粘结剂喷射意味着在今后减少一定的工作量

从打印机的观察窗可以看到，大约每半分钟添加一层，并使用亚世科化学（ASK Chemicals）制造的酚醛冷树脂粘结剂与砂石粘合。与常用的呋喃树脂相比，这种粘结剂的优点是减少了对后续工作的需求——剩下的砂石可以被抖掉，而使用呋喃树脂，砂石仍然可以粘在砂铸零件上。Klein-Hitpass用一个位于打印机室墙壁上的托盘上的型芯来证明这一点。乍一看，清洁硬化的砂石部分简直如同儿戏。打印后使用砂石真空清洁零件；接下来是抛光和铸造的工艺步骤。

Grunewald的未来是否会像日本木村公司的未来一样，那里的铸造厂用大约10台3D打印机的型芯和模具日以继夜地生产，而没有使用任何一件图案设备，还有待观察。“目前，我们既需要图案设备，也需要打印机，”Grunewald承认道。最初的问题是机器的产能太高而无法充分利用其全部产能，现在机器的产能几乎不够用，而且24小时的生产时间太短了。“谁知道两年后会怎样，”Grunewald在回答公司是否考虑采购第二台打印机的问题时说道。既然已经了解了这个过程，铸造厂正在寻求在短期或长期内再让两名机器操作员获得资格，以减轻Klein-Hitpass及其同事的负担。

3D砂石打印机很快就会变得不可或缺吗？?

1月底在Düsseldorf铸造行业所在地召开的增材制造工作组会议上，3D打印对铸造行业的潜力可见一斑：宝马的一位代表也加入了进来，他报告说3D打印型芯已经被应用在Landshut的批量制造中。“提高发动机温度需要铸件，其复杂的几何形状只能通过打印型芯来实现，”Grunewald引用了汽车制造商现在接受使用3D打印的原因。时间将证明型芯制造中的这种战略调整是否仍将是一个孤立的案例，还是在未来的某一天会成为常态。

Grunewald在推出3D打印机一年后已经获得了回报，这当然是显而易见的。未来战略：继续自动化，为员工提供从事专业工作所需的自由，并产生足够的销售额以应对困难时期。该计划非常适合像Grunewald这样拥有200名员工的中型公司，旨在实现长期和可持续的持续发展。

模具和型芯的轮廓在3D打印机中开始成形。

打印的模具正在硬化。客户要求的零件尺寸越来越大。.

Ulrich Grunewald站在为汽车地板地毯集成冷却的铝制模具前。

www.grunewald.de

此案例研究发表于Urheberhinweis的2020年2+3期《铸造、工厂与技术》。点击下载PDF