Воск и фотополимер удаляются из опоки по-разному
Восковая и фотополимерная модели решают одну задачу: после их удаления в опоке остаётся полость для металла. Но из формы они удаляются по-разному.
Литейный воск при нагреве сначала размягчается и расширяется, затем плавится. Жидкий воск выходит из опоки через литниковую систему, а остатки выгорают при дальнейшем нагреве. Значительная часть воска покидает опоку ещё до высоких температур.
У отверждённого фотополимера другая структура. После УФ-засветки образуется прочная полимерная сетка. При нагреве модель не превращается целиком в жидкость, которая просто вытекает из опоки. Сначала она нагревается и меняет размеры, затем полимерная сетка разрушается. При этом выделяются газы и пары, а часть материала может остаться в виде углеродистого остатка. Чтобы форма очистилась, этот остаток должен выгореть.
Что происходит с фотополимером при нагреве
Полимерная модель не исчезает при одной определённой температуре. По мере прогрева опоки идут несколько процессов; часть из них начинается ещё до того, как закончился предыдущий.
1. Нагрев и изменение размеров модели
До начала интенсивного разложения модель нагревается вместе с опокой. Отверждённый полимер ещё сохраняет прочность, но расширяется при нагреве и создаёт нагрузку на формовочную массу.
У тонкой ажурной модели эта нагрузка небольшая. В массивной печатке, толстом кольце или плотном узле ёлки полимера намного больше, поэтому нагрузка на форму выше. Здесь особенно важны прочность созревшей формомассы и скорость нагрева.
2. Разрушение полимерной сетки при нагреве
При дальнейшем нагреве связи в отверждённой смоле разрушаются. Модель теряет прочность и целостность. Образуются более мелкие соединения; часть из них испаряется и выходит из опоки в виде газов и паров.
С этого момента важно, насколько свободно продукты разложения выходят из опоки: через литники и открытые каналы, а также через поры формовочной массы. Не менее важен воздухообмен в печи.
3. Активное разложение и газовыделение
У разных литейных фотополимеров активное разложение приходится на разные температурные участки. Поэтому при построении цикла важнее контролировать период интенсивного газовыделения, воздухообмен и последующее выгорание углеродистого остатка, чем ориентироваться на один фиксированный диапазон температур.
В этот период модель быстро теряет массу и выделяет много газов и паров. Внутри опоки кислорода меньше, чем в камере печи, поэтому часть полимера не сгорает сразу, а разлагается при недостатке кислорода — идёт пиролиз.
Если продукты разложения выводятся плохо, а полимер долго находится в этой зоне, возрастает вероятность коксования: часть органического материала превращается в углеродистый остаток и осаждается на стенках полости и в порах формовочной массы.
4. Выгорание углеродистого остатка
После того как основная масса полимера разложилась, в форме может остаться углерод. Чтобы он выгорел, нужен кислород; образовавшиеся газы должны свободно выйти из опоки.
Поэтому воздухообмен в муфельной печи — часть технологии. Печь может набрать нужную температуру, но при плохом притоке воздуха углерод внутри формы всё равно останется.
Чем массивнее модели и чем больше полимера в опоке, тем больше газов нужно вывести и тем важнее правильно подобрать время, температуру и воздухообмен.
5. Выгорание остатков при высокой температуре
На верхнем участке цикла выгорают оставшиеся органические и углеродистые остатки. За это же время опока должна прогреться по всему объёму. После выжигания её температуру снижают до той, которая нужна для выбранного металла и способа литья.
Если в составе есть негорючие минеральные наполнители или пигменты, они не выгорят вместе с органикой и могут оставить золу. Поэтому результат зависит не только от режима печи, но и от состава самого фотополимера.
Что меняется, если в фотополимере есть воск
Восковые компоненты меняют поведение материала при нагреве. Они размягчаются и плавятся раньше полимерной сетки. Если часть восковой фазы выходит из модели на раннем этапе, нагрузка на форму уменьшается и последующее выжигание идёт легче.
Но восковые компоненты не отменяют отверждённую полимерную сетку. Пока она существует, модель остаётся фотополимерной: сетка разрушается при нагреве, выделяются газы, а оставшийся углерод должен выгореть.
Поэтому надпись Wax в названии или даже большая доля восковых компонентов в рецептуре не означает, что готовая модель поведёт себя в печи как обычная инжекционная восковка. Это определяется всей рецептурой и тем, в каком виде восковая фаза находится в отверждённом материале.
Почему одна и та же смола по-разному ведёт себя на разных моделях
Количество полимера и геометрия модели напрямую меняют условия внутри опоки. Тонкое ажурное изделие прогревается быстрее и выделяет сравнительно мало продуктов разложения. В массивной печатке полимера больше, и газам сложнее выйти из её объёма.
Поэтому один материал, один принтер и один режим выжигания могут дать чистую отливку на тонкой модели и проблемы на массивной. Это не противоречие и не обязательно дефект смолы: изменились нагрузка на формомассу при нагреве, количество газов и условия их выхода.
Также на результат влияют расположение моделей на ёлке, сечение литников, размер опоки и общая загрузка. Поэтому режим подбирают под всю совокупность условий, а не только под название фотополимера.
Что даёт фотополимерная 3D-печать
При прямой фотополимерной печати литейную модель получают сразу из цифрового файла. Для единичных изделий и малых серий не нужны мастер-модель, резиновая форма и инжекция воска.
- Сложная геометрия. В отличие от фрезеровки, 3D-печати не нужен доступ режущего инструмента к каждой поверхности. Поэтому можно печатать внутренние элементы, сложные формы и мелкий рельеф.
- Высокая детализация. Настроенный принтер и подходящий материал передают мелкий рельеф, гравировку, крапаны и тонкие элементы.
- Быстрые изменения. Размер, посадку камня, толщину элемента и конструкцию меняют в цифровой модели и сразу печатают новую версию.
- Повторяемость. После настройки процесса одну и ту же цифровую модель печатают повторно без ручного изготовления каждой восковки.
- Единичные изделия и малые серии. Для нового дизайна не нужно сначала изготавливать отдельную оснастку.
Сравнительно низкий порог входа
Финансовый порог входа в фотополимерную технологию заметно ниже, чем во фрезеровку или специализированную 3D-печать воском.
Ювелирный фрезер стоит дороже и требует CAM-подготовки: выбора инструмента, построения траекторий и настройки режимов обработки. Специализированные восковые 3D-принтеры тоже дороги, а фирменные расходные материалы для них заметно повышают стоимость каждой модели.
LCD/DLP-принтер и фотополимеры обходятся заметно дешевле. Небольшая мастерская может начать работать без крупных вложений в специализированное оборудование и осваивать процесс поэтапно.
С чем придётся считаться
- Печать приходится калибровать под конкретный принтер, материал, плёнку ванны и задачу.
- Напечатанную модель нужно правильно промыть, высушить и дозасветить.
- Формовочная масса должна полностью пройти этап схватывания и набрать достаточную прочность перед печью.
- При выжигании важны не только температура и время, но и скорость прогрева опоки, количество полимера, свободный выход газов и воздухообмен в печи.
- Для массивной печатки и тонкой ажурной модели один и тот же цикл не обязательно будет одинаково удачным.
Поэтому готовый температурный график — только отправная точка. Рабочий режим подбирают под печь, формовочную массу, размер опоки, геометрию и общую массу полимерных моделей.
Главная мысль
Фотополимерная печать не заменяет воск один к одному. Она даёт прямой и сравнительно недорогой путь от CAD-модели к литейной модели, но формовку и выжигание приходится строить с учётом свойств полимера.
Поэтому полимер не нужно заставлять «вести себя как воск». Нужно понимать, что происходит с ним при нагреве, и строить цикл так, чтобы сохранить форму и полностью удалить продукты разложения.