3D-печать воском: принцип, области применения и материалы
Восковая 3D-печать не даёт готового изделия — она создаёт модель для литья. Рассказываем, как устроен процесс, чем он удобен и какие технологии и материалы используются.
Название «3D-печать воском» легко понять неправильно. Напечатанная восковая деталь — не конечный продукт, а промежуточное звено: по ней делают литейную форму, после чего воск выплавляют. Модель при этом утрачивается, поэтому процесс относят к литью по выплавляемым моделям.
Само такое литьё давно ценится за точность размеров, проработку мелких деталей и качество поверхности: оно позволяет получать небольшие одинаковые отливки с минимальной чистовой обработкой. Печать преследует те же цели, меняется лишь способ получения модели — её выращивает принтер, а не мастер вручную. Воск удобен тем, что сгорает почти без остатка и не требует сложной обработки формы. Наряду со специальным воском для тех же задач используют выгорающие нити и смолы.
Этапы: от цифровой модели до отливки
- Проектирование. Изделие моделируют в программе или сканируют существующий объект, который требуется воспроизвести.
- Печать. Модель выращивают из воскоподобного материала на принтере, рассчитанном на работу с ним. Для выступов и перемычек могут понадобиться поддержки.
- Постобработка. Поддержки удаляют, модель очищают, при необходимости шлифуют мелкие дефекты поверхности.
- Сборка «дерева». Несколько моделей крепят к литниковому стержню — так называемому отливочному дереву.
- Создание оболочки. Дерево покрывают тонкими слоями жидкой массы — керамики, глины или гипса, затем сушат или обжигают в печи.
- Выплавление. Воск плавится, вытекает или сгорает, и остаётся полость, точно повторяющая модель.
- Заливка. В полость подают расплав; после затвердевания оболочку разбивают и извлекают деталь. Дальнейшая обработка зависит от назначения и материала.
Сильные стороны технологии
Разрешение восковой печати достигает примерно 25 микрон, однако это не универсальная величина: точность зависит от выбранной технологии. Допуски получаются небольшими, но при проектировании приходится учитывать профильные стандарты — рекомендации VDG по конструированию отливок и соответствующие нормы DIN ISO, — и выполнить их бывает непросто.
Прототипы и малые серии обходятся дешевле, чем при традиционном подходе. Выигрыш во времени тоже заметен: изготовление модельной оснастки на заказ вместе с доставкой занимает от двух до двенадцати недель, тогда как печать длится несколько часов в зависимости от модели и выполняется прямо на производстве. Модель легко напечатать повторно, поэтому исправления вносятся быстро.
Есть и экологический аргумент: расходуется только материал, необходимый для самой модели, так что отходов почти нет, а остатки воска сжигают без следа либо используют повторно.
Ограничения
Метод непрямой: между печатью и готовой деталью лежит несколько операций, поэтому результат приходится ждать дольше, чем при технологиях, сразу дающих конечное изделие. Для крупных моделей восковая печать не подходит.
Где используют восковые модели
Главная область — ювелирное дело. По восковым моделям делают формы, которые затем заполняют драгоценными металлами; так выпускают и прототипы, и предсерийные изделия.
Технология востребована везде, где важны точность и детализация. В стоматологии с её помощью изготавливают зубные протезы. В медицине — ацетабулярные чашки-имплантаты: полусферические детали, поверхность которых покрыта сотнями тонких крестовидных фиксаторов. В машиностроении печатают модели для литья, а в моделизме — коллекционные предметы и миниатюрные копии.
Технологии печати и оборудование
Воскоподобную нить можно печатать по технологии FDM, но чаще применяются стереолитография и струйная печать. В SLA для моделей обычно берут воскоподобную смолу. У компании 3D Systems есть специализированный вариант SLA под названием QuickCast, предназначенный для моделей и форм в аэрокосмической отрасли, а также метод MultiJet Printing.
Принтеры Solidscape, которые представляла компания Prodways, работают по принципу Drop-on-Demand; при этом Prodways объявила о намерении уйти из этого направления. Подходит и технология Binder Jetting: например, принтер VX1000 компании Voxeljet печатает воском, керамикой и песком.
Материалы
Воск для печати — это пластик на восковой основе. Воски делят на три группы: натуральные (пчелиный, соевый), минеральные, получаемые из горючих ископаемых, и синтетические, например полиолефиновые. В 3D-печати используются именно синтетические.
Если модели нужны поддержки, применяют два разных воска. У материала поддержек температура плавления ниже, чтобы их можно было растопить, не повредив саму модель. Среди производителей таких восков — 3D Systems, Polymaker и Formfutura.
В аддитивном производстве восковая печать остаётся нишевым направлением, но закрывает задачи, с которыми другие технологии и материалы не справляются, — прежде всего получение сложных литых изделий.