Sanders introduceert 3D-printer in het gietproces

Deze 3D-printer print de zandvorm waarin direct het ijzeren product kan worden gegoten. Hierdoor wordt een complete processtap – het maken van een houten of kunststof model – overgeslagen. Dat scheelt tijd en kosten.  ‘We kijken continu naar nieuwe technieken’, vertelt Olivier Stapper, directeur van Sanders Gears Casting Machining .

Naast een gietbedrijf runt Stapper ook een machinefabriek, waar bijvoorbeeld tandwielen worden gefreesd met vijfassige machines in plaats van met tandwielmachines. ‘Daarin zijn we uniek en daardoor kunnen we heel flexibel diverse producten verspanen. Onze specialiteit is het maken van kleine series, dat geldt in onze machinefabriek maar ook in ons gietbedrijf, waar we vooral gietwerk verrichten van enkelstuks tot kleine series.’

Lossing

Sinds de introductie van het principe van het zandgieten ver voor onze jaartelling is er niet zo veel veranderd. ‘We vonden en vinden dat het zandgieten veel slimmer kan. Bij kleine series of enkelstuks vormt het houten of kunststof model een grote kostenpost, die kan oplopen tot zo’n 30.000 euro’, weet Stapper. Een ander nadeel van het zandgieten zijn de ontwerp-restricties. Je moet namelijk bij het ontwerp van het product altijd rekening houden met de lossing van het model uit het zand. Daardoor mogen de wanden van een product niet recht zijn, maar moeten minimaal onder een hoek van ongeveer 3 graden staan. Doe je dat namelijk niet, dan krijg je de vorm niet meer heel uit het zand. Tevens kun je bij het ontwerp van een product geen gekke uitsteeksels maken, want die breken het zand zodat je geen goede zandvorm krijgt. Door de zandvorm op te bouwen met een 3D-printer voorkom je dergelijke bezwaren.

De broers Roland Stapper van 3Dealise (links) en Olivier Stapper. (Foto: Vraag en Aanbod) 

ExOne en 3Dealise

Bij de selectie van de 1 miljoen kostende 3D-printer is Sanders niet over een nacht ijs gegaan. Ongeveer drie jaar geleden vonden ze de techniek nog niet ver genoeg ontwikkeld. In de tussenliggende periode heeft Sanders samen met 3Dealise (zie kader) en ExOne gewerkt aan een commercieel interessante 3D-printer. ExOne heeft veel ervaring met het 3D-printen in zand en Sanders van het gietproces. Een half jaar geleden vonden Sanders en 3Dealise de tijd rijp om een 3D-printer te installeren. Dat werd de ExOne S-Max 3D-printer, die print in zand. Met de in gebruik name van een 3D-printer hebben Sanders en 3Dealise een grote stap gezet in het zandgieten. ‘Een revolutie in de ijzergieterij’, zo durft Stapper 3D-printen zonder meer te noemen. Bij het 3D-printen heb je namelijk volledige ontwerpvrijheid . Om dit tot volle wasdom te laten komen, vergt het nog wel een andere zienswijze van de huidige generatie engineers. Die moeten leren te ontwerpen voor het 3D-printen waarmee je in principe elke ontwerp kunt maken met of zonder haakse hoeken en of gekke uitsteeksels.

Het 3D-printen

De ExOne S-Max print gietvormen in zand met een nauwkeurigheid van een tiende millimeter.  Het printen gaat daarbij als volgt:  Met een 3D-file van de te printen vorm wordt laag voor laag de zandvorm van speciaal zand geprint. Na het aanbrengen van de eerste laag zand wordt met behulp van inkjet technologie bindmiddel aangebracht om het zand te binden. Over deze deels gebonden laag zand wordt een volgende laag aangebracht en dan herhaalt het proces zich. Als na vele lagen zand met bindmiddel de vorm is gemaakt en is uitgehard, blaas of zuig je het losse zand weg (foto) en houd je de gietvorm over. Daarna moet de zandvorm nog worden voorzien van een coating, net als bij het traditionele proces. Het coaten is nodig om te voorkomen dat het gietijzer zich hecht aan het zand.

Pomphuis

De jobbox waarin de zandvorm wordt geprint, meet 1.800 x 1.000 x 700 millimeter. Binnen de afmetingen van de jobbox kun je meerdere verschillende gietvormen printen waarbij het losse zand zonder bindmiddel gebruikt wordt als laag tussen de verschillende zandvormen. De afmeting van de jobbox bepaalt overigens niet de maximale afmeting van een te gieten product, want je kunt voor grotere producten de zandvorm in meerdere delen (‘legoblokken’) printen en die delen met hulp van paspennen aan elkaar koppelen tot de gewenste zandvorm. Als voorbeeld noemt Stapper het pomphuis dat ze onlangs hebben gegoten. De gietvorm voor dat pomphuis met een diameter van 1.200 mm en een hoogte van 800 millimeter hebben ze noodgedwongen in acht delen moeten printen en deze vervolgens met paspannen aan elkaar gekoppeld en daarna gegoten. ‘Als we hier een houten gietvorm voor hadden moeten laten maken had dat al gauw zo’n 30 duizend euro gekost met de daarbij horende levertijd.’

In drie weken

‘Het was nog niet zo eenvoudig om dit pomphuis te maken. Het enige wat de klant had, was een platte tekening uit 1980. Normaal gesproken zou de productie vanaf scratch tot eindproduct zo’n twaalf weken in beslag hebben genomen’, schat Stapper in. ‘Nu hebben onze engineers in een week tijd de tekening kunnen omzetten naar een 3D-file. Het printen van de acht delen kostte ook nog ongeveer anderhalve week en het gieten en afwerken 3,5 week. ‘Omdat we toen nog maar weinig ervaring hadden met het 3D-printen denkt Stapper dat een vergelijkbaar product in de toekomst sneller kan, drie weken’, schat hij.

Eerste ervaringen

In de twee maanden dat Sanders en 3Dealise werken met de 3D-printer hebben zich geen grote problemen voorgedaan. Stapper is blij verrast dat alles werkt zoals gedacht. ‘3D-printen voor brons, staal en aluminium gieten moeten we nog wat verder uitwerken. Het 3D-printen voor ijzergieten gaat prima.’ Een vast gebruik bij het traditionele gietproces is het gebruik van een gietkast, die voorkomt dat het zand uitbreekt nadat het hete gietijzer in de zandvorm is gegoten ‘Ook nu omsluiten we de grotere gietvormen voor de zekerheid met een gietkast. Voor kleine delen is een gietkast al niet meer nodig en die worden losstaand gegoten.’ (op de foto een zandvorm voor een  waaier/impeller) Een uitdaging in de testfase was de gasvorming die optrad in het zand tijdens het gieten. Het blijkt dat de porositeit van het zand anders is dan het zand in het traditionele gietproces. ‘Het zand blijkt minder poreus waardoor we last kregen van gasbellen’, vertelt Stapper. ‘We moesten meer ontluchten. Dat hebben onze engineers in de testfase mooi opgelost.’ Voor de komende periode wil Sanders de kennis op de werkvloer overdragen naar de engineers. Als voorbeeld noemt Stapper het modelleren van de gietlopen, die nu op basis van vele jaren ervaring handmatig worden aangebracht. 

Voorwerk

‘We hebben op dit moment twee CAD-engineers in dienst die ook nog eens verstand hebben van mechanische technieken. Die hebben we ook echt nodig, want we zien dat die kennis ontbreekt bij de klant.’ Stapper weet dat 80 procent van de tijd  voorwerk is om te komen tot een 3D-file. ‘Soms kun je een bestaand product scannen en re-engineeren, maar meestal moeten onze engineers in overleg met de klant een compleet nieuw 3D-ontwerp maken van het product. En voor de zandvorm moet je dat ontwerp weer omzetten naar een negatief met alle randvoorwaarden (krimp, deling) van dien.’

Sanders Casting Machining (en 3Dealise) staan in stand 640 op de TIV/Metavak/Vilo van 2-4 september 2014 in Hardenberg. 

KADER

3Dealise print zandvormen voor derden

Sanders Gears Casting Machining gebruikt de printer alleen voor eigen gebruik. Om de capiciteit van de 3D-printer én van de afdeling engineering ook ter beschikking te stellen aan derden is Olivier Stapper van Sanders een samenwerking aangegaan met zijn jongere broer Roland Stapper, die daarvoor afgelopen mei het nieuwe bedrijf 3Dealise heeft opgericht. ‘ExOne in Duitsland maakt ook zandvormen voor derden, maar die zitten toch vrij ver weg en hebben weinig expertise in gieten en dat hebben wij wel’, verzekert Roland Stapper ons. ‘Daarom ben ik 3Dealise begonnen.

Roland Stapper heeft daarvoor afscheid genomen van zijn baan in London bij Deloitte. Hij was daar management consultant met de focus op productiebedrijven. London is niet verloren voor hem, want met zijn nieuwe bedrijf gaat hij zijn diensten voor het Verenigd Koninkrijk vanuit London aanbieden; voor de Benelux en Duitsland worden de diensten aangeboden vanuit Goor. De engineering gebeurt in Goor en het 3D-printen eerst ook nog. ‘De zandvorm brengen we dan met een vrachtwagen naar London. Het is de bedoeling om in de toekomst een 3D-printer in London te plaatsen; het engineeren blijven we doen vanuit Goor’, aldus Roland Stapper.

3Dealise

En tot slot het gieten van het gietijzer in de 3D geprintte zandvorm.