3D-печать литейных форм: зачем это нужно и когда это выгодно

3D-печать форм на простом FDM 3D-принтере — хороший способ наладить мелкосерийное производство изделий из многих материалов — шоколада, эпоксидных смол, силикона и других. В этой статье поделимся советами для начинающих литейщиков.

К литью с помощью аддитивных технологий можно подойти несколькими путями. Один из них заключается в 3D-печати мастер-моделей для изготовления форм, например силиконовых: 3D-печатный прототип изделия заливается силиконом, затем силиконовая оболочка разделяется, мастер-модель удаляется, и получается комплект силиконовых форм, в которые можно отливать уже серийные изделия. Это действенный метод, но довольно трудоемкий. Второй вариант предусматривает 3D-печать непосредственно литейных форм без возни с мастер-моделями. О нем мы и расскажем ниже.

Зачем вообще печатать формы? Это отличный способ серийного производства. Сама по себе 3D-печать — довольно медленный процесс, к тому же 3D-принтер может не подойти для работы с требуемыми материалами. Простой пример — пищевое производство. Если вы собираетесь печь печенье или делать конфеты, FDM 3D-принтер можно переоснастить специализированным экструдером для работы с вязкими материалами, в этом случае тестом или шоколадом. Вопрос лишь в том, стоит ли это делать. Если речь идет о существенных объемах и типовых изделиях, то проще напечатать формы для резки теста или отливки шоколада, а затем делать вкусняшки десятками, сотнями или даже тысячами экземпляров.

Комбинирование 3D-печати с литьем значительно сокращает временные и финансовые затраты, а заодно позволяет получать идентичные конечные изделия без необходимости в периодической настройке оборудования. Другими словами, так проще, быстрее и дешевле.

Процесс легко масштабируется: если вдруг резко вырастет спрос, можно быстренько напечатать дополнительные формы по уже имеющимся и проверенным в деле цифровым 3D-моделям и нарастить производство. То же самое касается и замены сломанных или изношенных форм: если форма сломалась, можно быстро напечатать новую.

В большинстве случаев хватит и бюджетного 3D-принтера. Если речь идет о 3D-печати пищевых форм или форм для литья силиконовых, полиуретановых или эпоксидных деталей, вполне хватит простых полимеров с невысокой температурой экструзии. Необходимо лишь помнить о том, что для изготовления пищевых форм подойдет не каждый материал, так как некоторые пластики для 3D-печати могут быть токсичны, по крайней мере при нагревании — не сильно, но рисковать все же не стоит. В таких случаях лучше всего использовать REC Relax, REC Biocide PETG, REC PP или REC PLA.

Если же вы собираетесь заниматься горячим литьем, то все несколько сложнее. В принципе, в полимерные 3D-печатные формы можно лить некоторые, относительно легкоплавкие металлы, например олово, но игра вряд ли будет стоить свеч, так как для этого все равно потребуются дорогие, тугоплавкие полимеры, например REC PEEK. Такие прочные, тугоплавкие пластики лучше использовать для 3D-печати полимерных аналогов металлических деталей, например алюминиевых. Если же нужно отлить металлическую деталь, обычно используется комбинированный метод, то есть 3D-печать выплавляемых мастер-моделей из REC PLA или REC Cast, затем изготовление гипсовых или песчаных форм, а затем удаление мастер-моделей и отливка металлических изделий. Этот метод позволяет работаться с самыми разными металлами и сплавами — алюминием, бронзой, сталями и так далее.

Есть и несколько недостатков. Во-первых, 3D-печать полимерных литейных форм — не самый рентабельный подход, когда речь идет о крупносерийном производстве и когда выгоднее вложиться в промышленную литейную или формовочную оснастку. Во-вторых, живучесть и продолжительность эксплуатации таких форм может быть невысокой, но это уже зависит от сложности изделий и используемых материалов. Получить идеальные формы, возможно, получится не сразу, а значит будет брак, но то же самое можно сказать и про традиционные методы формования и литья.

Что понадобится

Во-первых, конечно же, 3D-принтер. Это будет вашим главным капиталовложением, по крайней мере на первых порах, пока не накопятся расходы на филаменты. Какой 3D-принтер брать — дело сугубо личное, ибо ассортимент огромен. Если требования к материалам невысоки, то есть вы собираетесь заниматься холодным литьем, должно хватить простой и относительно недорогой системы вроде BiZon Prusa i3 Steel Pro или Picaso Designer Classic. Если позволяет бюджет, можно взять аддитивную систему посерьезнее, способную печатать более прочными и тугоплавкими полимерами и композитами, например Picaso Designer X Pro Series 2 c хотэндом на 430°С.

Программное обеспечение для 3D-моделирования. Выбор широк, есть в том числе и бесплатные варианты. С подборкой подходящих программ можно ознакомиться в статье по этой ссылке.

Филаменты. Если вы собираетесь работать с относительно холодными материалами вроде пищевых паст или двухкомпонентных составов (силиконовых, полиуретановых, эпоксидных), вполне хватит REC Relax или REC ABS. Для работы с пищевыми продуктами лучше всего использовать REC Relax, REC Biocide PETG, REC PP или REC PLA — последний только для относительно холодных продуктов, так как у него низкая температура размягчения, всего около 50°С. Если же вы все же собираетесь печатать жертвенные, выплавляемые мастер-модели под гипсовые или песчаные формы, попробуйте REC PLA или REC Cast. Это материалы с низким коэффициентом теплового расширения и низкой зольностью, так что они подходят лучше всего. С полным ассортиментом филаментов можно ознакомиться в нашем каталоге.

Разделительная смазка. В некоторых случаях может потребоваться разделительный слой, чтобы отливки не слипались с формами. Тут все опять-таки зависит от материала. Например, для литья силиконами можно найти удобные аэрозоли, как на иллюстрации выше.

О чем стоит помнить

При 3D-моделировании старайтесь не забывать про каналы для отвода воздуха, чтобы его можно было стравливать по мере заливки формы. Как правило, это отверстия небольшого диаметра в верхней части форм, хватит порядка 0,5 мм.

Не стоит экономить на пластике. Если вы хотите получить долгоживущие формы, сделайте их покрепче, то есть выставляйте полное заполнение в слайсере и по возможности усиливайте, например металлическими стержнями.

Чем меньше высота слоя, тем выше качество. В большинстве случаев формы можно дополнительно обработать ради сглаживания поверхностей, но не всегда. Если форма слишком сложная, постарайтесь печатать как можно более тонкими слоями — это повысит время 3D-печати, зато ребристость будет менее заметна.