La fusione a cera persa tradizionale, che crea parti in metallo da uno stampo di ceramica dopo aver bruciato un modello in cera, è un processo utilizzato da oltre 5.000 anni. Nell'ultimo secolo, il processo ha beneficiato di numerose innovazioni, ma è ancora lento e costoso creare questo tipo di stampi per parti complesse. Il tempo di produzione in genere viene misurato in mesi e i costi possono arrivare a centinaia di migliaia di dollari.
Ma prendendo come esempio Vaupell, azienda di componenti e assiemi secondari aerospaziali sul mercato da 70 anni e con un'esperienza di 20 anni nella stampa 3D, il flusso di lavoro sta cambiando rapidamente.
Vaupell utilizza QuickCast®, il processo di stereolitografia (SLA) sviluppato da 3D Systems per la fusione a cera persa, per offrire ai propri clienti velocità e qualità senza precedenti a una frazione del costo delle metodologie tradizionali. Il processo QuickCast è ideale per il mercato aerospaziale, che spesso richiede volumi ridotti
di parti altamente complesse.
Parti grandi e precise
Andy Reeves, ingegnere addetto alle vendite per il nuovo sviluppo aziendale di Vaupell, stima di poter produrre un modello di parte specifico del diametro di 26 pollici con QuickCast su una ProX® 800 3D Systems in due o tre giorni per un costo tra i $6.000 e i $15.000. Uno stampo per la stessa parte potrebbe richiedere da diversi mesi a oltre un anno, con un costo tra $200.000 e $300.000.
La ProX 800 ha un volume di stampa di 25,6 x 29,5 x 21,65 pollici (650 x 750 x 550 mm), fornendo flessibilità e velocità per la costruzione in pezzo unico di una parte di grandi dimensioni o per esecuzioni in serie di più parti.
"L'ampia piattaforma rappresenta un grande vantaggio rispetto ad altre macchine", afferma Austin Wong, responsabile della prototipazione rapida di Vaupell. "È possibile realizzare in una sola esecuzione una parte di grandi dimensioni che richiederebbe due cicli su una macchina più piccola. Non solo è possibile produrre di più in meno tempo, ma le parti più grandi riducono i costi di manodopera (meno parti, meno assemblaggi o saldature)".
La precisione della ProX 800: 0,001-0,002 pollici (0,025-0,05 mm) per pollice di dimensione della parte consente a Vaupell di soddisfare i requisiti di precisione dei suoi clienti del settore aerospaziale.
"La stampante ProX 800 offre profili laterali di alta qualità, tolleranze migliori e un ampio letto di stampa", racconta Wong. L'eccellente finitura delle resine consente di risparmiare tempo sulla finitura post-stampa; un ulteriore risparmio di tempo è dato dal fatto che non è necessario creare le parti in due pezzi da unire successivamente".
Soddisfare le esigenze di mercato
Reeves afferma che il mercato della fusione a cera persa QuickCast scaturisce da due esigenze aziendali stringenti: la creazione di modelli per parti che non è possibile lavorare in nessun altro modo e per parti per le quali la produzione di un stampo di qualità richiederebbe qualche anno, a causa della complessità.
Le aziende aerospaziali hanno scoperto che la stampa 3D è in grado di realizzare progetti complessi che consentono loro di ridurre il numero di parti di un assieme e il peso, mantenendo la stessa resistenza e durata o addirittura migliorando queste caratteristiche.
"Molte di queste parti si trovano nelle turbine a reazione, per cui devono essere perfette", afferma Wong. "Costruire questi contorni con attrezzature in cera sarebbe molto costoso e richiederebbe tempi di consegna lunghi".
La necessità di modelli di qualità da stampi che richiederebbero tempi di progettazione e produzione lunghi ha creato un'attività di costruzione di attrezzature per la divisione di prototipazione rapida di Vaupell con sede a Hudson, nel New Hampshire.
"Grazie ai modelli QuickCast i nostri clienti sono in grado di ricevere una parte molto prima che sia possibile progettare, realizzare, testare e portare online uno stampo per produzione o prototipazione" afferma Wong.
Wong cita un progetto in cui Vaupell ha utilizzato QuickCast per creare un modello di microfusione complesso e produrre 20 parti in soli due giorni e mezzo, aumentando rapidamente a 120 parti al mese.
"Il cliente non sarebbe stato in grado di rispettare il contratto se non avesse utilizzato QuickCast per consegnare le parti. A volte produciamo 150 parti di due o tre modelli QuickCast al mese durante l'anno, mentre il cliente sta ancora sviluppando e realizzando le attrezzature in cera".
Assenza di antimonio e burnout migliore
Restringimento ridotto e più iterazioni
Una delle grandi sfide della fusione a cera persa, il calcolo del restringimento in fase di produzione, viene notevolmente ridimensionata tramite QuickCast.
"Un grande vantaggio di QuickCast rispetto agli stampi in cera sta nel fatto che bisogna calcolare solo il restringimento del metallo", afferma Wong. "Non si deve calcolare il restringimento del metallo e anche quello della cera. I modelli QuickCast sono molto più accurati e possono mantenere una tolleranza più stretta rispetto a qualsiasi stampo di cera".
Secondo Reeves, il processo di QuickCast è molto più "tollerante" nel complesso. In caso di errore nel modello o se questo non funziona come previsto, in pochi giorni è possibile creare e stampare una nuova iterazione, rispetto alle settimane o ai mesi richiesti per modificare o rifare uno stampo in cera.
Per le applicazioni di prototipazione, la capacità di QuickCast di consentire cicli di processo continui e veloci è fondamentale, al punto che molte aziende di fusione a cera persa tradizionale sono uscite del tutto dal business della prototipazione.
"La prototipazione di progetti iterativi con gli stampi in cera tradizionali non è valida dal punto di vista economico" afferma Reeves, "ma QuickCast si presta realmente alla progettazione iterativa per supportare sia lo sviluppo delle parti sia dei processi".
Uno dei principali problemi riguardo alla fusione a cera persa nei primi giorni della stampa 3D era la qualità e le proprietà dei materiali disponibili. Tale problema è stato eliminato con materiali quali Accura® CastPro™ Free di 3D Systems.
CastPro Free è un materiale trasparente simile al policarbonato, privo di metalli pesanti. Si tratta di un materiale altamente accurato per modelli di microfusione stabili di elevata qualità.
"Poiché CastPro Free non contiene antimonio, non crea occlusioni e altri difetti al momento della fusione finale del metallo", afferma Dave Pellegrino, responsabile delle tecnologie di produzione avanzate di Vaupell.
CastPro Free brucia con un contenuto di cenere inferiore rispetto a qualsiasi resina precedente sul mercato, consentendo il risparmio dei tempi di post-elaborazione e garantendo al contempo qualità superiore.
“Se la resina non riesce a bruciare completamente, il cliente avrà un problema", afferma Wong. "Il burnout completo e la pulizia di processo forniti da CastPro Free sono in definitiva le chiavi per la qualità".
Supporto per risultati garantiti
Oltre alle capacità tecniche della stampante 3D ProX 800, al processo e ai materiali QuickCast, Vaupell si affida a una partnership ventennale con 3D Systems per fornire la qualità di servizio che i suoi clienti si aspettano.
"La produzione additiva si riduce a chi può eseguire un processo più rapidamente, in modo migliore e in maniera più economica", afferma Wong. "Vaupell focalizza l'attenzione sulla velocità e la qualità. A meno che non si tratti di una parte particolarmente grande, garantiamo la consegna da uno a tre giorni. Il supporto tempestivo di 3D Systems garantisce che manterremo tale promessa".