Специалистами Института космической техники при Сибирском государственном университете имени М.Ф. Решетнева (СибГУ) недавно была разработана технология адаптации метода послойного наплавления (FDM) для работы с литейным воском. Несмотря на то, что 3D-печать восковых и фотополимерных моделей уже применяется в ювелирном производстве, массовое внедрение данной технологии ограничивается высокой стоимостью оборудования и расходных материалов. По заявлению разработчиков из Красноярска, модифицированный принтер способен обрабатывать широкий спектр материалов — от высокотемпературного литейного воска до парафина. Устройство на базе дельта-робота позволяет использовать материалы с твердыми включениями диаметром до 0,3 мм, при этом фактический размер частиц ограничен исключительно диаметром сопла принтера.

Идея использования адаптированных FDM-принтеров для печати воском витает в воздухе уже несколько лет, но до успешной реализации дело пока не доходило из-за сложностей с подачей мягкого, легко разрушающегося материала в хотэнд. Как именно эта проблема была решена, не поясняется, но возможны варианты с предварительным прогревом и поршневой или шнековой подачей.

Добиться высокого качества, необходимого в ювелирном деле, будет практически невозможно, но разработчики ориентируются на промышленное применение – изготовление выжигаемых мастер-моделей для производства литейной оснастки. Фактически же дешевизна нового метода позволит заниматься литьем даже в любительских мастерских. Тем не менее, создатели уверяют, что им удалось добиться более высокого качества поверхностей в сравнении с полимерными моделями, печатаемыми по той же технологии FDM, а изготовление мастер-моделей из воска вместо выжигаемых полимеров позволяет сводить к минимуму эффект усадки.

«Плюс ко всему у модели, изготовленной традиционным способом 3D-печати, ярко выражен «степэффект» (эффект ребристости внешних поверхностей), при получении восковой модели промышленными способами нет возможности получения сложной внутренней геометрии. У восковой модели, изготовленной по-новому, «степэффект» сведен к минимуму, новая технология позволяет практически полностью избавиться от такого дефекта, как ребристость получаемой поверхности, также нет никаких трудностей в получении сложной внутренней геометрии», – поясняет руководитель СКБ «Импульс» Института космической техники Максим Кубриков.

Для любознательных

В мире и в России есть несколько компаний и научных коллективов, которые занимаются разработкой 3D-принтеров для печати воском — в основном для ювелирного производства, литья и промышленного прототипирования. Вот обзор ключевых игроков:

Мировые разработчики принтеров для печати воском

1. Solidscape (США, дочерняя компания Stratasys)
   — Одна из самых известных компаний в нише восковой 3D-печати.
   — Специализируется на высокоточных принтерах для ювелирной отрасли.
   — Модели: S390, T76+ — печатают с разрешением до 16 мкм, идеальны для мелких деталей.
   — Используют технологию Drop-on-Demand, позволяющую точно наносить воск.
   — Принтеры дорогие (от $40–55 тыс.), но обеспечивают промышленное качество.

2. 3D Systems (США)
   — Предлагает технологии MultiJet Printing (MJP) и QuickCast.
   — Принтеры серии ProJet MJP могут работать с воскоподобными материалами.
   — Применяются в аэрокосмической и медицинской отраслях, а также в ювелирке.
   — Используют выжигаемые восковые модели для литья.

3. Prodways (Франция)
   — Ранее производила принтеры под брендом Solidscape.
   — В последние годы сократила деятельность в этом сегменте, но технологии до сих пор используются.
   — Применяли UV-отверждаемые воскоподобные смолы.

4. Voxeljet (Германия)
   — Специализируется на технологии Binder Jetting.
   — Принтер VX1000 способен печатать формами из воска, песка и керамики.
   — Подходит для крупногабаритных литейных форм.

Российские разработчики

1. Учёные Сибирского государственного университета имени М.Ф. Решетнева (Красноярск)
   — В 2017 году коллектив из Института космической техники адаптировал FDM-принтер для печати воском.
   — Технология позволяет использовать как тугоплавкий литейный воск, так и обычный парафин.
   — Преимущество — низкая стоимость аппарата по сравнению с промышленными аналогами.
   — Принтер построен на базе дельта-робота и способен работать с материалами, содержащими твёрдые включения до 0,3 мм.
   — Ориентирован на промышленное литьё и любительские мастерские.
   — Удалось значительно снизить «ступенчатый эффект» и улучшить качество поверхности.

2. Частные инженеры и стартапы
   — В России есть единичные кейсы модификации FDM-принтеров под воск, но массового производства пока нет.
   — Некоторые умельцы используют восковые нити (wax filament) или шнековую подачу для печати.

Технологии, применяемые для печати воском

Существует несколько подходов к 3D-печати воском, и выбор технологии зависит от требуемой точности, масштабов производства и бюджета.

FDM с восковой нитью — это один из самых доступных способов. Здесь используется стандартный экструдер, который подаёт расплавленную восковую нить слой за слоем. Такой метод подходит для начального прототипирования, например, при создании моделей для литья. Преимущества — низкая стоимость оборудования и материалов. Однако качество поверхности может быть неидеальным из-за «ступенчатого эффекта», а прочность моделей ниже, чем у промышленных решений. Эта технология популярна среди любителей и в образовательных целях.

MultiJet Printing (MJP) — более точная технология, при которой мельчайшие капли воскоподобного материала наносятся с помощью печатающей головки, аналогично струйному принтеру. После каждого слоя материал отверждается под ультрафиолетом. Такие принтеры обеспечивают высокую детализацию и гладкие поверхности, что делает их идеальными для ювелирной отрасли и медицинских приложений. Оборудование стоит дороже, но результат оправдывает вложения при профессиональном использовании.

SLA с воскоподобной смолой — технология стереолитографии, где используется фотополимер, имитирующий свойства воска. Модель формируется путём отверждения смолы лазером или проектором. Получаются очень чёткие и гладкие детали, которые легко выжигаются при литье. Этот метод часто применяют для создания ювелирных мастер-моделей, особенно когда нужна высокая точность и минимальная шероховатость.

Binder Jetting — технология, при которой на слой порошка (например, песка или керамики) наносится связующее вещество, формируя литейную форму. В некоторых случаях внутрь такой формы можно заливать воск или использовать воск как часть композитного материала. Эта технология подходит для создания крупногабаритных отливок и применяется в аэрокосмической и тяжёлой промышленности. Принтеры типа Voxeljet VX1000 работают по схожему принципу и позволяют изготавливать сложные формы без необходимости в опорах.

Drop-on-Demand (DoD) — самый точный метод, используемый в профессиональных ювелирных принтерах, таких как Solidscape. Воск подаётся в виде микроскопических капель только в нужные точки, что позволяет достичь разрешения до 16 микрон. Такие принтеры обеспечивают идеальную геометрию модели и минимальные потери при выжигании. Это — золотой стандарт для ювелирных мастерских, но стоимость оборудования и обслуживания остаётся очень высокой.

Производители восковых материалов

• 3D Systems — выжигаемые смолы и воски.
• Formfutura — серия WaxX для FDM.
• Polymaker — специальные композиты на основе воска.

На настоящий моменть российских серийных производителей принтеров для воска пока нет, но научные разработки, как в Красноярске, показывают перспективу создания доступных решений. Основной рынок остаётся в руках западных компаний, особенно Solidscape и 3D Systems.