Introduzione alla fusione per modelli di gioielli stampati in 3D

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MANUALE OPERATIVO

Introduzione alla fusione per modelli di gioielli

stampati in 3D

Il metodo di lavoro dei gioiellieri sta cambiando e le resine fotopolimeriche calcinabili rappresentano l’ultima avanguardia.

Dai designer indipendenti che desiderano svolgere le fasi di ideazione e di prototipazione nel proprio studio, fino alle fonderie che puntano ad aumentare la capacità produttiva e a diversificare la propria offerta, le tecniche di fabbricazione digitale rivestono un ruolo sempre più importante nella creazione di un’attività di gioielliere di successo. In questa guida imparerai come colare raffinati pezzi di gioielleria da modelli stampati in 3D con le stampanti Formlabs.

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Contenuti

Cos’è la fusione diretta a cera persa? . . . . 3

1. Progettazione per la fusione . . . . 4

2. Stampa e preparazione dei pezzi per la fusione . . . . 6

3. Creazione dell’albero di fusione . . . . 8

4. Preparazione dello stampo. . . 9

5. Combustione e fusione . . . .10

6. Piano di combustione . . . . 11

Risoluzione dei problemi di fusione . . . . 12

Prodotti da Formlabs

• Stampante 3D Form 3 (SLA)

• Castable Wax 40 Resin

• Castable Wax Resin

• Software PreForm (gratuito)

• Finish Kit o Form Wash

Prodotti da terzi

• Materiale di rivestimento Certus Prestige Optima

• Forno (732 °C), macchina di rivestimento sottovuoto e sistema di microfusione a cera persa, ad esempio Neutec J2R

• Per la combustione in ambienti chiusi, un sistema di ventilazione attiva come Vent-A-Kiln

Elementi fondamentali

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Cos’è la fusione diretta a cera persa?

La microfusione o processo di fusione a cera persa è una tecnica di stampaggio molto popolare che può essere usata per fabbricare parti di grandi o piccole dimensioni in un’ampia gamma di metalli. Nata oltre 5000 anni fa, la fusione a cera persa consente ai creatori di lavorare numerosi materiali ed è uno dei modi più semplici per creare parti in metallo.

La fusione a cera persa consiste nel creare uno stampo cavo da un master scolpito a mano o stampato in 3D. Il master viene immerso in un materiale refrattario per la fusione (o "materiale di rivestimento") che si asciuga e s'indurisce. Il modello di cera o stampato in 3D brucia, lasciando uno stampo negativo del progetto. Il metallo viene versato in questa cavità per creare la parte finale.

I modelli di cera per gioielli dal design ricercato sono difficili da produrre a mano e, in un mondo in cui la domanda di accessori di moda rapidamente disponibili è in continua crescita, i pezzi realizzati a mano difficilmente riescono a tenere il passo della produzione. I materiali specializzati e le stampanti 3D in-house a prezzi accessibili, come quelle di Formlabs, stanno cambiando il modo di lavorare dei produttori e designer di gioielleria, portando la qualità di livello industriale sulla scrivania e facilitando la produzione e l’adattamento di geometrie complesse che una volta richiedevano ore di meticoloso lavoro.

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1 . Progettazione per la fusione

Usa un software CAD come RhinoGold, JewelCAD o 3Design per portare le tue parti dall'idea al modello stampato in 3D usando le buone pratiche seguenti.

Prodotti indicati:

Castable Wax 40 Resin: una resina per la fusione diretta con elevato contenuto di cera, che offre una praticità di fusione superiore e in grado di adattarsi a un'ampia gamma di caratteristiche, tra cui fori per incastonature e incisioni.

Castable Wax Resin: una resina con ridotto contenuto di cera ed elevata stabilità allo stato grezzo, adatta per strutture ultrasottili come la filigrana a intreccio.

EVITARE LA ROTTURA DEL MATERIALE DI RIVESTIMENTO

I tradizionali modelli in cera e i modelli in resina stampati in 3D condividono numerosi principi, come l’importanza di una superficie senza interruzioni. Se possibile, evita di creare angoli e spigoli troppo acuminati, che non aumentano solo le turbolenze nel metallo, ma concentrano anche le sollecitazioni di espansione nello stampo.

Le sollecitazioni di espansione concentrate provocano la rottura del materiale di rivestimento, che è uno dei difetti di qualità più comuni nella fusione diretta a resina persa. I segni della rottura del materiale di rivestimento sono dettagli negativi pieni nella parte fusa, come le incisioni e i fori per incastonature. La rottura del materiale di rivestimento solitamente causa la presenza di detriti che danno origine a superfici dello stampo ruvide o a puntinature.

Oltre agli spigoli acuminati, occorre prestare attenzione anche alla profondità dei dettagli negativi. È buona norma che i canali e i fori incisi siano più larghi che profondi. Questo principio guida è ancor più importante se i dettagli negativi sono di piccole dimensioni e il materiale di rivestimento che li circonda è fragile.

Nell'ecosistema Formlabs, la Castable Wax 40 Resin è progettata per minimizzare l'espansione e la rottura del materiale di rivestimento,

offrendo una maggior affidabilità nei punti in cui sono necessari dettagli negativi.

CANALI DI COLATA

È possibile stampare in 3D canali di colata più sottili per risparmiare lavoro e per migliorare il riempimento dello stampo nelle zone con dettagli di piccole dimensioni. Progetta canali di colata dritti o che si assottigliano verso la parte.

I supporti aggiunti in PreForm non dovrebbero essere usati come canali di colata. Se hai intenzione di stampare in 3D i canali, raccomandiamo di incorporarli direttamente nel progetto CAD.

I canali d'immissione stampati in 3D dovrebbero essere usati soltanto dove risulta complicato posizionare canali di colata in cera, ad esempio laddove un canale di colata collega un'area inaccessibile del modello in resina a un'altra. I canali di colata in cera permettono una miglior qualità della parte fusa, perché sciogliendosi consentono alla parte di entrare in contatto con l'ossigeno più rapidamente.

Acuminato Raggio Lame di coltello

Fori per incastonature

Incisioni

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PUNTI DI ATTACCO DEI CANALI DI COLATA

I modelli in resina non si sciolgono, il che significa che talvolta le parti pesanti

possono essere difficili da attaccare (e mantenere attaccate) ai canali di colata in cera.

Aggiungendo un punto d'attacco per i canali di colata al tuo modello CAD puoi evitare la frustrazione di trovare un modello stampato in 3D che galleggia nel cilindro che hai appena riempito. Per farlo basta aggiungere un foro in fondo a un anello, o un piccolo perno cavo che puoi riempire o circondare con la cera quando attacchi la parte a un canale di colata.

PARTI SPESSE E DI GRANDI DIMENSIONI

La Castable Wax 40 Resin è adatta per la stampa e la fusione di parti di gioielli di spessore elevato, come gli anelli scolastici. Questo materiale può adattarsi a sezioni trasversali fino a 4 mm nella maggior parte delle aree del modello. Le parti più spesse di un modello tenderanno a offrire una resa migliore durante la fusione se sono più vicine al canale d'immissione.

Un numero sufficiente di canali di colata in cera in grado di fornire ossigeno al sito potrebbe permettere di realizzare pareti con fino a 10 mm di spessore. A causa della sua bassa stabilità allo stato grezzo, la Castable Wax 40 Resin non è consigliata per gusci sottili e di grandi dimensioni o per modelli con campate lunghe, sottili e prive di supporti.

Per modelli che sono al tempo stesso grandi e monolitici, come le statue, è possibile usare la Castable Wax Resin come materiale alternativo. Grazie a una stabilità allo stato grezzo più elevata, la Castable Wax Resin può essere impiegata per modelli cavi e perfino gusci sottili. Questa strategia minimizza le forze di espansione esercitate sul materiale di rivestimento durante la combustione. Le parti con uno spessore superiore ai 3 mm dovrebbero essere sgusciate e dotate di fori di drenaggio per consentire alla resina di fuoriuscire dalla cavità interna.

Formlabs raccomanda pareti di 0,7 mm di spessore per gusci cavi stampati con la Castable Wax Resin. È possibile anche aggiungere una struttura a graticola all’interno della stampa per migliorare la resistenza in fase di manipolazione di gusci di grandi dimensioni.

•

Quando crei un modello cavo dal guscio sottile usando la Castable Wax Resin, controlla le aree del modello che si avvicinano (o sono inferiori) al doppio dello spessore minimo di 0,7 mm delle pareti per il guscio.

•

È possibile che queste aree non vengano modificate da un intervento sul guscio in CAD, e che nel modello rimangano quindi zone troppo spesse per la fusione. L'eccessivo spessore delle parti rischia di causare crepe da espansione durante la combustione.

FILIGRANA

Lo straordinario grado di dettaglio della Castable Wax Resin ti permette di creare parti dai complessi decori in filigrana. Questi sottili intrecci di filo sono complicati da realizzare mediante fusione, ma fattibili se si progettano con attenzione i canali.

Filo di 0,3 mm Canali di colata

Pareti con uno spessore di 0,7 mm

Foro di drenaggio

Struttura reticolare

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È possibile stampare intrecci sottili con fili di 0,3 mm di diametro. La filigrana stampata è fragile ed è facile danneggiarla rimuovendo i supporti. Progetta le parti in filigrana in modo che siano il più possibile autoportanti.

Nei modelli in filigrana, i canali di colata stampati in 3D possono avere una doppia funzione, servendo anche come "supporti" da rimuovere dopo la fusione. Per evitare che il metallo si raffreddi in questi sottili canali, aggiungi canali d'immissione del metallo in numerosi punti sul bordo della filigrana a intreccio.

Nota: non è consigliato usare la Castable Wax 40 Resin per stampare filigrana a intreccio, a causa della bassa stabilità di questa resina allo stato grezzo.

2 . Stampa e preparazione dei pezzi per la fusione

STAMPA

Con la stampante 3D desktop Form 3 i modelli di gioielli possono essere stampati individualmente o in lotti. Per ottenere stampe di qualità con la Castable Wax 40 Resin, consigliamo di stampare i modelli con la parte superiore più pesante, come gli anelli con sigillo, orientandoli e supportandoli a una determinata angolazione, anziché verticalmente. I modelli di gioielli più leggeri, e le parti stampate con la Castable Wax Resin, potranno essere stampati in verticale.

LAVAGGIO

Lavare attentamente le parti con alcol isopropilico al 90% è un passaggio essenziale per

l’ottenimento di una fusione pulita. Un eccesso di resina non polimerizzata potrebbe interferire con la polimerizzazione del rivestimento e causare difetti di fusione.

Fai asciugare la parte completamente dopo averla rimossa dal bagno di alcool isopropilico.

Usa un getto di aria compressa per assicurarti che l’alcool isopropilico evapori completamente prima di procedere alla polimerizzazione post-stampa e alla fusione. Se le parti risultano ancora appiccicose dopo il lavaggio e l’asciugatura, è possibile che sia necessario sostituire l'alcool isopropilico.

CASTABLE WAX 40 RESIN CASTABLE WAX RESIN (V1)

Form Wash 5 min + risciacquo finale in alcool isopropilico pulito

Kit di pulizia 5 min + 5 min (secondo lavaggio in alcool isopropilico pulito)

Kit di pulizia 10 min + 5 min (secondo lavaggio in alcool isopropilico pulito)

Orienta i modelli con la parte superiore più pesante a una determinata angolazione per

un risultato migliore.

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POLIMERIZZAZIONE

Volendo è possibile polimerizzare le parti realizzate con la Castable Wax 40 Resin per aumentarne la stabilità allo stato grezzo, in caso di rottura delle parti durante l'applicazione dei canali di colata.

Se le parti stampate sono fragili, raccomandiamo di sottoporle a polimerizzazione post-stampa dopo aver rimosso i supporti. Le parti grezze sono più flessibili e meno soggette a fratture quando si recidono i supporti.

La polimerizzazione post-stampa non garantisce migliori risultati di fusione, a meno che le parti non siano state sottoposte a un lavaggio insufficiente.

CASTABLE WAX 40 RESIN CASTABLE WAX RESIN (V1)

Form Cure

Non necessario (30 min polimerizzazione

senza calore opzionale)

Form Cure

Non necessario Lampada per

unghie

Lampada per unghie

Consiglio: la polimerizzazione post-stampa delle parti potrebbe causarne un leggero restringimento (<1%).

Avvertenza: non polimerizzare le parti realizzate con la Castable Wax 40 Resin a una temperatura superiore a quella dell'ambiente. Le temperature elevate possono causare lo scioglimento della cera solida contenuta nella resina, rendendo le parti appiccicose.

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L'uso di una penna per cera facilita l’unione dei modelli in resina ai canali di colata in cera.

3 . Creazione dell’albero di fusione

Attacca le stampe polimerizzate a uno dei principali canali di colata in cera con cera ancora appiccicosa.

Sciogli la cera per creare giunture lisce fra ogni modello stampato e il rispettivo canale d'immissione.

L'uso di una penna per cera facilita l’unione dei modelli in resina ai canali di colata in cera.

Colloca le parti più spesse sul fondo e le parti più sottili in cima all'albero di fusione. Le parti stampate in 3D potrebbero richiedere un po' più di spazio fra le parti rispetto a un albero di fusione tradizionale. Se stai trattando parti di grandi dimensioni dal guscio sottile, assicurati di riempire con la cera eventuali fori di drenaggio per evitare che il materiale di rivestimento penetri nella stampa.

FILM PROTETTIVI PER LA FUSIONE

Formlabs sconsiglia di immergere i modelli realizzati con la Castable Wax 40 Resin in film protettivi per la fusione. Tali film potrebbero interferire con la capacità della resina di disperdere la cera liquida durante il riscaldamento.

Consiglio: i modelli stampati in resina non si sciolgono. Se hai difficoltà a unire la stampa con un canale in cera, prova a usare una quantità ridotta di super-colla o di resina epossidica a indurimento rapido. Può essere utile anche aggiungere un punto di attacco del canale di colata al modello.

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4 . Preparazione dello stampo

I seguenti passaggi illustrano la procedura standard per la preparazione del cilindro di stampo.

Una macchina per il rivestimento sottovuoto aiuta a miscelare, degassare e colare il rivestimento in modo uniforme, facile e pulito. In alternativa, è possibile usare un miscelatore e una

camera sottovuoto separati.

1 . Unisci un cilindro di fusione alla base del canale di colata. Se il cilindro è perforato, avvolgilo con del nastro da imballaggio trasparente per contenere il materiale di rivestimento.

2 . Mescola il materiale di rivestimento in polvere con acqua distillata fredda secondo le istruzioni del produttore.

Consiglio: sciogli l'acido borico (1% del peso dell'acqua) nell'acqua, quindi mescola per aumentare la resistenza dello stampo.

3 . Versa lentamente il materiale di rivestimento lungo un lato del cilindro, evitando l'albero di cera. Versando il materiale in modo fluido ridurrai il rischio di intrappolarvi bolle d'aria.

Usa una camera sottovuoto per estrarre eventuali bolle dal cilindro. Lascia che il materiale di rivestimento si indurisca e asciughi.

4 . Rimuovi attentamente la base in gomma del canale di colata dal cilindro e lascia che si stabilizzi in un ambiente privo di vibrazioni per 2-6 ore. Segui le raccomandazioni di sicurezza del produttore del materiale di rivestimento. Raccomandiamo di indossare una mascherina protettiva o un respiratore.

POSSIBILI MATERIALI PER IL RIVESTIMENTO

Formlabs consiglia il materiale di rivestimento per gioielli Certus Prestige Optima sia per la Castable Wax 40 Resin che per la Castable Wax Resin. La Castable Wax 40 Resin ti offrirà una maggior libertà nella scelta dei materiali di rivestimento. Se stai fondendo modelli particolarmente difficili, valuta la possibilità di passare a un materiale di rivestimento più resistente in fosfato

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5 . Combustione e fusione

Colloca il cilindro per la fusione nel forno di cottura e riscalda in base al piano di combustione consigliato. Apporta modifiche in base alle istruzioni relative al rivestimento, alle dimensioni del cilindro e alla quantità di materiale stampato.

Formlabs raccomanda l’utilizzo di un forno ben ventilato (con entrata e uscita dell’aria) per garantire un flusso d’aria sufficiente in tutta la camera ed espellere completamente la resina trasformata in vapore.

COMBUSTIONE BREVE

Combustioni significativamente più brevi (4-8 ore) sono limitate a geometrie leggere e a materiali di rivestimento robusti in fosfato legato a caldo. I materiali di rivestimento in fosfato legato a caldo permetteranno una combustione più rapida con tutte le resine per fusione di Formlabs.

Consigli:

•

La ventilazione è essenziale, ma può causare una diminuzione della temperatura all’interno del forno. Controlla il forno e la temperatura del cilindro e adatta il processo sviluppando un piano di combustione adatto alla tua dotazione.

•

Qualora usi una ventilazione attiva, aumenta il più possibile il risucchio per aumentare il flusso d’aria all’interno del forno.

•

Se il forno è pieno, la combustione dei cilindri risulterà meno efficace. Attacca un generatore di ossigeno o un erogatore d'aria a bassa intensità al forno per incrementare il flusso d'aria.

FUSIONE

Rimuovi lo stampo dal forno di cottura e cola il metallo. Macchine di colata a centrifuga o

sottovuoto, quali ad esempio la Neutec J2R (USA) e le serie Indutherm MC (UE) sono semplici da usare e da controllare.

Dopo aver effettuato la colata, tempra con cautela lo stampo in acqua e lava via il rivestimento.

COMPATIBILITÀ CON METALLI PREZIOSI

Formlabs ha testato processi di fusione con oro, argento e bronzo da modelli in Castable Wax 40 Resin e Castable Wax Resin. La compatibilità con il metallo è una delle principali proprietà del rivestimento. Metalli differenti richiedono gradi di resistenza termica diversa dal rivestimento.

Le resine per la fusione diretta di Formlabs richiedono temperature di almeno 732 °C per completare la combustione. In caso di dubbi riguardo la compatibilità della resina con uno specifico rivestimento, rivolgiti al produttore per ottenere maggiori informazioni.

Inserisci i cilindri in un forno di

combustione ben ventilato. La colata sottovuoto o a centrifuga migliorerà il riempimento dei dettagli più minuti.

Tempra e rimuovi il cilindro immergendolo nell’acqua.

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6 . Piano di combustione

Formlabs offre la Castable Wax 40 Resin e la Castable Wax Resin per la creazione di gioielli mediante fusione a cera persa. La Castable Wax 40 Resin è progettata per offrire una maggior flessibilità nel piano di combustione, e risultati migliori se sei alle prime armi. La Castable Wax Resin richiede un rispetto rigoroso delle linee guida per la combustione e alcune limitazioni alla geometria della parte per ottenere risultati di alta qualità.

I piani di cottura consigliati per ogni materiale sono indicati di seguito. Sono pensati per l'utilizzo con Certus Prestige Optima o con un materiale di rivestimento equivalente.

A B C

800 700 600 500 400 300 200 100

00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

TIME (hours)

TEMPERATURE (C)

800 700 600 500 400 300 200 100 0 900

800 700 600 500 400 300 200 100

00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

TIME (hours)

TEMPERATURE (C)

A B C D

TIME (hours)

TEMPERATURE (C)

A B C

FASE TEMPO PROGRAMMA °C

Asciugatura del

cilindro riscaldato 180 min 55 °C

A

Rampa 48 min 2 °C/min

Attesa 180 min 150 °C

Rampa 75 min 2,0 °C/min

B ^Rampa ^{108 min} ^4,0 °C/min

C

Rampa 44 min -5 °C/min

Tempo di fusione Fino a 2 ore Temperatura di fusione desiderata

FASE TEMPO PROGRAMMA °C

A

Inserisci i cilindri 0 min 21 °C

Rampa 60 min 4,7 °C/min

B ^Rampa ^{100 min} ^4,5 °C/min

C

Rampa 60 min -4,0 °C/min

Tempo di fusione Fino a 2 ore Temperatura di fusione desiderata

Castable Wax 40 Resin

Castable Wax Resin

TEMPERATURA (°C)

TEMPO (ore)

TEMPERATURA (°C)

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Risoluzione dei problemi di fusione

PROBLEMA CAUSA SOLUZIONE

Fori o incisioni riempiti e

Superfici vicine puntinate

Rottura localizzata del rivestimento a causa delle sollecitazioni dovute alla dilatazione termica della resina.

Diminuisci la velocità della rampa di combustione.

Aggiungi dei raccordi agli angoli acuminati del modello in CAD.

Riduci la profondità delle incisioni in CAD.

Passa alla Castable Wax 40 Resin (se usi la Castable Wax Resin).

Aggiungi acido borico per rafforzare il rivestimento.

Metallo rugoso

Rivestimento troppo debole, crepato a causa della massiccia dilatazione termica della resina.

Diminuisci la velocità della rampa di combustione.

Aumenta lo spazio fra i modelli in resina.

Diminuisci la proporzione di acqua aggiunta al rivestimento.

Aumenta il tempo di riposo del cilindro dopo aver versato il rivestimento.

Valuta se cambiare materiale di rivestimento.

Superfici ruvide (senza rotture visibili nel rivestimento)

La resina bolle per il calore eccessivo prima dell'eliminazione della cera liquida.

Diminuisci la velocità della rampa di combustione, aumenta il tempo di attesa a bassa temperatura.

Ossigeno insufficiente per la combustione.

Aumenta il flusso dell’aria nel forno di combustione.

Aggiungi un canale di colata in cera dall'area interessata al canale d'immissione principale.

Lascia evacuare l’aria dal cilindro con una leggera pressione del sottovuoto prima di procedere alla fusione.

Sezione trasversale della resina troppo spessa per il sistema della resina, parte costretta contro la parete dello stampo durante la combustione.

Castable Wax 40 Resin:

• Vedi sopra.

Castable Wax Resin (V1):

• Se lo spessore della parete è <2 mm, prova la procedura qui sopra.

• Se lo spessore della parete è <10 mm, svuota la parte fino a ottenere un guscio sottile.

• Se lo spessore della parete è di 2-10 mm, valuta se passare alla Castable Wax 40 Resin.

Presenza di bollicine nella colata

Il rivestimento è troppo viscoso. Aumenta la proporzione di acqua aggiunta al rivestimento.

Il tempo di lavorazione del rivestimento è troppo corto per degassare completamente il cilindro.

Usa acqua fredda nella miscela del rivestimento.

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La fusione è un processo complesso. Per ottenere risultati ottimali, consigliamo di lavorare con uno specialista del settore. Per consultare l'elenco delle fonderie consigliate visita

https://formlabs.com/company/recommended-casting-houses

Un ringraziamento speciale a Lars Sögaard Nielsen e alla KEA (scuola di design e tecnologia di Copenaghen) per aver concesso a Formlabs di documentare il loro procedimento di fusione.

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