ZCZH sviluppa una stampante 3D a cera per produrre modelli da fusione direttamente dai file CAD

La fusione a cera persa è un processo utilizzato per realizzare componenti metallici complessi, caratterizzati da geometrie articolate, pareti sottili e superfici che richiedono un buon livello di precisione. Uno dei passaggi più importanti di questa tecnica riguarda la produzione del modello sacrificale in cera, destinato a essere rivestito con materiale ceramico e successivamente eliminato per creare la cavità nella quale verrà colato il metallo.

Foshan Zhongcheng Wisdom Technology Co., Ltd., azienda cinese conosciuta con il marchio ZCZH, ha sviluppato una stampante 3D industriale capace di produrre questi modelli direttamente dai dati tridimensionali. Il sistema utilizza testine di stampa inkjet Xaar Nitrox, realizzate dall’azienda britannica Xaar plc, per depositare in modo controllato un materiale a base di cera.

La soluzione proposta da ZCZH permette di passare dal modello CAD al modello fisico senza dover costruire uno stampo dedicato per l’iniezione della cera. Questa impostazione è pensata soprattutto per prototipi, componenti personalizzati, geometrie complesse e produzioni in quantità limitata, contesti nei quali i tempi e i costi di realizzazione degli stampi possono incidere in modo rilevante sul progetto.

Il ruolo dei modelli in cera nella microfusione

Nel processo convenzionale di microfusione, il modello del componente viene prodotto iniettando cera all’interno di uno stampo metallico. Una volta estratto, il modello viene collegato ad altri elementi in cera attraverso un sistema di canali che consentirà al metallo fuso di raggiungere tutte le cavità.

Il gruppo di modelli viene immerso più volte in una sospensione ceramica e ricoperto con materiale refrattario. Dopo ogni applicazione è necessario attendere l’asciugatura dello strato. La ripetizione di questa operazione permette di ottenere un guscio resistente alle temperature della colata.

Quando il rivestimento ha raggiunto lo spessore richiesto, la cera viene rimossa attraverso un ciclo termico. All’interno del guscio ceramico rimane una cavità con la forma del componente da produrre. Il metallo fuso viene quindi colato nella cavità e lasciato solidificare. Il guscio viene infine rotto, mentre i pezzi vengono separati dai canali di alimentazione e sottoposti alle operazioni di finitura.

La qualità del modello in cera condiziona una parte importante del risultato finale. Deformazioni, difetti superficiali o imprecisioni dimensionali possono essere trasferiti al rivestimento ceramico e al componente metallico. Per questo motivo la produzione dei modelli richiede un controllo accurato della geometria, della temperatura e delle proprietà del materiale.

La tecnologia sviluppata da ZCZH interviene nella fase iniziale del processo, sostituendo la produzione del modello mediante stampo con una costruzione additiva basata sui dati digitali.

Dal file tridimensionale al modello pronto per la fonderia

Il flusso di lavoro parte da un modello CAD del componente. Il file viene elaborato dal software della stampante ZCZH, suddiviso in strati e trasformato in istruzioni per il sistema di deposizione.

Le testine Xaar Nitrox rilasciano piccole quantità di cera nelle zone previste da ogni sezione. La sovrapposizione degli strati costruisce progressivamente il modello tridimensionale.

Uno dei principali vantaggi riguarda la possibilità di modificare la geometria senza intervenire su un’attrezzatura fisica. Quando un progettista cambia una misura, una curvatura o un dettaglio funzionale, può aggiornare il file CAD e avviare una nuova stampa. Nel processo tradizionale, la stessa modifica potrebbe richiedere la lavorazione dello stampo esistente oppure la produzione di una nuova attrezzatura.

L’eliminazione dello stampo non significa che la produzione diventi priva di costi o di preparazione. Il processo richiede la gestione dei file, la definizione dell’orientamento, la disposizione dei modelli sulla piattaforma e la regolazione dei parametri di stampa. Cambia però la struttura economica del progetto: una parte dell’investimento iniziale viene trasferita dalla produzione delle attrezzature alla gestione digitale e al tempo macchina.

Per grandi quantità di pezzi identici, lo stampaggio della cera può mantenere un costo unitario competitivo. La stampa 3D diventa più interessante quando le quantità sono ridotte, le varianti sono numerose o il componente deve essere modificato più volte durante lo sviluppo.

La deposizione della cera con testine Xaar Nitrox

Il sistema di ZCZH utilizza una tecnologia inkjet piezoelettrica. All’interno delle testine Xaar Nitrox sono presenti numerosi canali e ugelli controllati elettronicamente. Gli attuatori piezoelettrici si deformano quando ricevono un impulso, generando la pressione necessaria per espellere una quantità definita di materiale.

Nel caso della stampante ZCZH, il materiale depositato è una formulazione a base di cera mantenuta a una temperatura adeguata. Il controllo termico è essenziale perché la viscosità cambia in funzione della temperatura.

Se la cera è troppo fredda, il materiale diventa più difficile da espellere attraverso gli ugelli. Se la temperatura è troppo elevata, possono cambiare il comportamento delle gocce, la solidificazione e la stabilità degli strati. Il sistema deve quindi mantenere condizioni uniformi durante l’intero ciclo di produzione.

La ripetibilità della deposizione influenza la definizione dei bordi, la qualità delle superfici e la precisione delle dimensioni. In una stampa di lunga durata, anche piccole variazioni nel comportamento degli ugelli possono accumularsi e diventare visibili sul modello.

ZCZH ha scelto le testine Xaar Nitrox anche per la loro capacità di lavorare con fluidi industriali caratterizzati da una viscosità superiore rispetto agli inchiostri grafici tradizionali.

La circolazione del materiale all’interno delle testine

Le testine Xaar Nitrox integrano la tecnologia TF Technology sviluppata da Xaar plc. Il sistema fa circolare il fluido dietro gli ugelli, evitando che il materiale rimanga fermo all’interno dei canali.

La circolazione contribuisce a mantenere più uniforme la temperatura della cera e a ridurre il rischio di accumuli o variazioni nella composizione del materiale. Questo aspetto è particolarmente importante quando si utilizzano fluidi riscaldati o formulazioni che possono modificare il proprio comportamento durante il ciclo di stampa.

Xaar plc ha inoltre sviluppato il sistema Sure Flow, progettato per agevolare la pulizia degli ugelli attraverso una procedura a ultrasuoni. La manutenzione delle testine rappresenta un elemento importante per la continuità produttiva, poiché un ugello parzialmente ostruito può generare aree incomplete o difetti localizzati.

La possibilità di effettuare operazioni di pulizia senza smontare ogni volta la testina può contribuire a limitare i tempi di fermo e a semplificare il ripristino della macchina.

Le caratteristiche della stampante ZCZH 3H-420

Tra i sistemi proposti da Foshan Zhongcheng Wisdom Technology Co., Ltd. figura la stampante 3H-420, progettata per produrre modelli in cera destinati alla microfusione e ad applicazioni di precisione.

La macchina dispone di un volume di costruzione dichiarato di 410 × 206 × 150 millimetri. Queste dimensioni permettono di realizzare un singolo modello di medie dimensioni oppure di collocare più componenti sulla stessa piattaforma.

La configurazione utilizza tre testine Xaar Nitrox. L’impiego di più testine consente di coprire una fascia di stampa più ampia durante ogni passaggio e di distribuire la deposizione su un numero maggiore di ugelli.

ZCZH indica una velocità di crescita verticale di circa 6 millimetri all’ora. Il tempo necessario per completare una produzione dipende comunque dall’altezza dei modelli, dalla quantità di materiale da depositare, dall’orientamento e dalla configurazione della piattaforma.

La produttività non deve essere valutata soltanto considerando la velocità del singolo pezzo. Una piattaforma può ospitare componenti differenti, permettendo alla fonderia di riunire più ordini o varianti nello stesso ciclo. La disposizione deve però essere studiata per utilizzare il volume disponibile senza compromettere la stabilità dei modelli e le operazioni di rimozione.

ZCZH dichiara inoltre la possibilità di produrre dettagli sottili e superfici adatte alla realizzazione di modelli da fusione. La valutazione delle prestazioni deve tenere conto della geometria, dell’orientamento, dell’altezza delle pareti e delle condizioni di utilizzo.

Meno attrezzature per prototipi e piccole serie

La produzione di uno stampo per l’iniezione della cera richiede progettazione, lavorazioni meccaniche e prove. Questo investimento può essere ammortizzato quando il numero di pezzi è elevato, ma diventa più difficile da giustificare per una serie limitata.

Il sistema ZCZH consente di produrre il primo modello dopo la preparazione del file e dei parametri macchina. Il passaggio può ridurre i tempi necessari per validare una geometria prima della produzione definitiva.

Un’azienda può stampare una prima versione, controllare le dimensioni, valutare l’assemblaggio e correggere il progetto. Le modifiche vengono applicate al modello digitale, senza dover ricostruire un’attrezzatura.

Questa flessibilità può essere utile anche nella produzione di ricambi. Se il file tridimensionale è disponibile, il modello in cera può essere prodotto quando serve, evitando la conservazione di stampi destinati a quantitativi ridotti.

La gestione digitale richiede comunque un sistema affidabile per archiviare i file, controllare le revisioni e associare a ogni componente i parametri di stampa corretti.

Applicazioni nella gioielleria e nella produzione industriale

Uno dei settori di riferimento per la stampa 3D a cera è la gioielleria. Anelli, pendenti e altri oggetti possono includere intrecci, rilievi, cavità e decorazioni difficili da ottenere con la lavorazione manuale.

La stampa diretta permette di personalizzare le dimensioni o gli elementi decorativi senza produrre uno stampo diverso per ogni variante. Il modello può essere inserito nel normale processo di fusione utilizzato dalle aziende orafe.

ZCZH propone la propria tecnologia anche per il settore automobilistico, aerospaziale, medicale e per la produzione di componenti industriali. In questi ambiti la microfusione viene utilizzata per realizzare parti metalliche con geometrie complesse e requisiti dimensionali specifici.

Nel settore medicale, la possibilità di produrre modelli personalizzati può essere utile per componenti realizzati in quantità limitata. L’utilizzo finale richiede però controlli, materiali e procedure conformi alle norme applicabili.

Nel settore aerospaziale e automobilistico, la stampa dei modelli in cera può essere impiegata durante lo sviluppo di nuovi componenti, quando devono essere confrontate più soluzioni geometriche prima della produzione seriale.

I controlli necessari durante la produzione

La precisione dichiarata della stampante rappresenta soltanto uno degli elementi da considerare. La qualità del componente metallico dipende dall’intera catena produttiva.

La fonderia deve verificare la ripetibilità tra modelli prodotti in cicli diversi, la variazione tra le differenti zone della piattaforma, la stabilità delle pareti sottili e la qualità delle superfici.

È inoltre necessario controllare il comportamento della cera durante la preparazione dell’albero e durante la fase di eliminazione dal guscio. Il materiale deve uscire senza generare pressioni capaci di danneggiare il rivestimento ceramico.

Anche la dilatazione termica, la densità e la distribuzione del materiale possono influenzare il risultato. Un modello stampato con precisione può comunque produrre un getto fuori tolleranza se il guscio si deforma o se non viene compensata correttamente la contrazione della lega metallica.

Per qualificare il processo è quindi opportuno misurare sia il modello in cera sia il componente finale. I risultati devono essere confrontati con il file CAD e con le tolleranze richieste dal progetto.

La gestione della macchina richiede inoltre procedure per il controllo degli ugelli, la calibrazione delle testine Xaar Nitrox, la sostituzione dei componenti soggetti a usura e la verifica delle proprietà della cera utilizzata.

Un collegamento diretto tra progettazione digitale e microfusione

La collaborazione tra Foshan Zhongcheng Wisdom Technology Co., Ltd. e Xaar plc mostra come la stampa inkjet possa essere integrata in un processo produttivo destinato alla fonderia.

ZCZH si occupa dello sviluppo della macchina, del controllo del processo e della gestione del materiale a base di cera. Xaar plc fornisce le testine Nitrox e le tecnologie necessarie per controllare la formazione delle gocce, la circolazione del fluido e la pulizia degli ugelli.

Il risultato è un sistema che riduce il numero di passaggi tra la progettazione CAD e la produzione del modello sacrificale. La microfusione mantiene le proprie fasi tradizionali, ma la preparazione del modello viene trasformata in un processo digitale.

La convenienza della soluzione dipende dal tipo di produzione. Per volumi elevati e componenti invariati, gli stampi per l’iniezione della cera possono continuare a rappresentare la scelta più efficiente. Per prototipi, piccole serie, ricambi e geometrie soggette a modifiche, la stampante ZCZH 3H-420 offre invece un metodo per produrre modelli direttamente dai dati tridimensionali, limitando la necessità di attrezzature dedicate.

Tabella tecnica della stampante 3D a cera ZCZH 3H-420

ParametroDato tecnico
ProduttoreFoshan Zhongcheng Wisdom Technology Co., Ltd.
Marchio commercialeZCZH / Cprint 3D
ModelloZCZH 3H-420
Tecnologia di produzioneDeposizione inkjet di materiale a base di cera
Principio di costruzioneDeposizione controllata di gocce e crescita per strati
Applicazione principaleProduzione di modelli sacrificali per microfusione
Volume massimo di costruzione410 × 206 × 150 mm
Velocità verticale dichiarataCirca 6 mm all’ora
Configurazione delle testineTre testine Xaar Nitrox
Produttore delle testineXaar plc
Precisione dichiarata da ZCZHFino a 4 µm
Produzione mediante stampoNon necessaria per la realizzazione del modello in cera
Dati di ingressoModello tridimensionale elaborato dal software di preparazione
Materiale depositatoFormulazione termocontrollata a base di cera
Tipologia di produzionePrototipi, componenti personalizzati, piccole serie e lotti misti
Settori indicati da ZCZHGioielleria, componenti industriali, dispositivi medicali, aerospazio e attrezzature di precisione

La precisione di 4 µm è un valore dichiarato da ZCZH. Il produttore non specifica pubblicamente, nella presentazione generale della macchina, il metodo di misura, la geometria del campione o le condizioni utilizzate per ottenere questo risultato.


Caratteristiche tecniche delle testine Xaar Nitrox

ParametroSpecifica
ProduttoreXaar plc
Famiglia di prodottoXaar Nitrox
Tecnologia di azionamentoInkjet piezoelettrico drop-on-demand
Numero di ugelli1.000
Larghezza attiva di stampa70,49 mm
Densità nativa degli ugelli360 ugelli per pollice
Dimensioni della testina125 × 30 × 60 mm
Frequenza massima di attivazioneFino a 48 kHz, in funzione della variante e della configurazione
Viscosità gestibile dichiarataFino a 100 cP, in condizioni compatibili
Tecnologia di ricircoloXaar TF Technology
Sistema di puliziaXaar Sure Flow a ultrasuoni
Controllo dell’uniformitàXaar AcuChp Technology
Deposizione ad alto volumeXaar High Laydown Technology
Gestione delle dimensioni delle gocceTecnologia greyscale XaarDOT
Orientamento operativoOrizzontale, verticale e configurazioni dinamiche compatibili
ApplicazioniProduzione additiva, fluidi funzionali, rivestimenti, ceramica, vetro, elettronica e stampa industriale

La viscosità massima, la frequenza di attivazione e il volume delle gocce dipendono dal materiale impiegato, dalla variante della testina e dall’integrazione realizzata dal costruttore della macchina.


Confronto tra le varianti Xaar Nitrox

CaratteristicaXaar Nitrox CoreXaar Nitrox ProXaar Nitrox Elite
Numero di ugelli1.0001.0001.000
Larghezza di stampa70,49 mm70,49 mm70,49 mm
Densità degli ugelli360 npi360 npi360 npi
Dimensioni125 × 30 × 60 mm125 × 30 × 60 mm125 × 30 × 60 mm
Volumi base delle gocce6, 12 e 40 pL6, 12 e 40 pL3, 6, 12 e 40 pL
Frequenza massima dichiarataFino a 36 kHzFino a 36 kHzFino a 48 kHz
Fluidi compatibili dichiaratiBase oleosaSolventi e fluidi a base oleosaSolventi, fluidi UV e fluidi a base oleosa
Controllo greyscale
Ricircolo TF Technology

I valori massimi non vengono raggiunti contemporaneamente in ogni configurazione. La frequenza operativa cambia in base al volume delle gocce, al fluido e ai parametri impostati dal produttore del sistema.


Fasi del processo dalla progettazione alla fusione

FaseOperazioneControllo tecnico principale
1Creazione o importazione del modello CADIntegrità della geometria e correttezza delle dimensioni
2Verifica del file tridimensionaleSuperfici chiuse, assenza di errori e corretta scala
3Orientamento del componenteStabilità, qualità superficiale e riduzione dei supporti
4Preparazione e slicingSpessore degli strati e strategia di deposizione
5Posizionamento sulla piattaformaDistanza tra i pezzi e utilizzo del volume disponibile
6Condizionamento della ceraTemperatura, viscosità e stabilità del materiale
7Deposizione con testine Xaar NitroxFunzionamento degli ugelli e uniformità delle gocce
8Costruzione per stratiCrescita verticale, adesione e stabilità geometrica
9Rimozione dalla piattaformaAssenza di deformazioni o danni agli elementi sottili
10Controllo del modello in ceraDimensioni, superficie, cavità e dettagli
11Preparazione dell’albero di fusionePosizione dei modelli e dimensionamento dei canali
12Formazione del guscio ceramicoUniformità del rivestimento e corretta essiccazione
13Eliminazione della ceraEvacuazione del materiale senza danneggiare il guscio
14Colata del metalloTemperatura, riempimento e comportamento della lega
15Raffreddamento e demolizione del guscioIntegrità del getto
16Separazione e finituraRimozione dei canali, pulizia e lavorazioni finali
17Controllo del componente metallicoTolleranze dimensionali, superficie e difetti interni

Stampa 3D a cera e produzione tradizionale dei modelli

Aspetto produttivoStampa 3D a cera ZCZHIniezione tradizionale della cera
Attrezzatura inizialeNon richiede uno stampo dedicato per il modelloRichiede la progettazione e la costruzione dello stampo
Avvio di un nuovo progettoPreparazione del file e dei parametri di stampaProduzione e collaudo dell’attrezzatura
Modifiche geometricheApplicate modificando il modello CADPossono richiedere modifiche o sostituzione dello stampo
Produzione di variantiPiù geometrie possono essere inserite nella stessa piattaformaOgni geometria richiede un’attrezzatura compatibile
Piccole serieAdatta a quantità limitate e lotti diversificatiLo stampo può incidere molto sul costo del progetto
Grandi serieLa produttività dipende dal numero di macchine e dai tempi di costruzioneElevata produttività dopo la realizzazione dello stampo
Geometrie complesseRealizzabili direttamente dal modello digitalePossono richiedere stampi articolati o lavorazioni aggiuntive
PersonalizzazioneOgni modello può essere modificato singolarmenteLa personalizzazione riduce l’efficienza dello stampaggio seriale
Gestione del magazzinoI progetti possono essere conservati come file digitaliDevono essere conservati anche stampi e attrezzature
RipetibilitàDipende dalla calibrazione, dagli ugelli e dal controllo termicoDipende dallo stampo, dall’iniezione e dalla stabilità della cera
Costo unitarioInfluenzato da tempo macchina, materiale e occupazione della piattaformaDiminuisce con l’aumento del numero di modelli prodotti
Ambito preferenzialePrototipi, ricambi, varianti e componenti complessiProduzione seriale di geometrie stabili

Parametri da controllare durante la stampa 3D a cera

ParametroEffetto sul processoPossibile conseguenza di un controllo insufficiente
Temperatura della ceraDetermina la viscosità e il comportamento delle gocceDeposizione irregolare o difficoltà di espulsione
Temperatura delle testineContribuisce alla stabilità del flussoVariazioni tra diverse zone di stampa
Viscosità del materialeInfluenza la formazione e la velocità delle gocceUgelli instabili o geometrie incomplete
Frequenza di attivazioneDetermina il ritmo di deposizionePerdita di precisione o riduzione della produttività
Volume delle gocceInfluenza dettaglio, copertura e quantità di materialeSuperfici irregolari o dettagli poco definiti
Stato degli ugelliDetermina la continuità della deposizioneLinee mancanti, vuoti e difetti localizzati
Ricircolo del materialeMantiene uniforme il fluido dietro gli ugelliSedimentazione, bolle o ostruzioni
Posizionamento delle gocceInfluenza bordi e precisione geometricaScostamenti dimensionali
Orientamento del modelloCondiziona superfici, supporti e stabilitàDeformazioni o aumento della finitura necessaria
Densità della piattaformaInfluenza la produttività del cicloCollisioni, difficoltà di rimozione o spreco di spazio
Condizioni ambientaliPossono modificare raffreddamento e solidificazioneVariazioni tra cicli eseguiti in momenti diversi
Calibrazione della macchinaMantiene l’allineamento tra testine e assiDifferenze dimensionali tra aree della piattaforma

Controlli di qualità sui modelli in cera

ControlloMetodo possibileObiettivo
Verifica dimensionaleCalibro, micrometro, comparatore o scansione 3DConfrontare il modello con le quote del file CAD
Controllo della superficieEsame visivo e strumenti di misura della rugositàIndividuare linee, ondulazioni e difetti di deposizione
Controllo degli elementi sottiliMisurazione localizzata e prova di manipolazioneVerificare spessore e resistenza durante la lavorazione
Controllo delle cavitàIspezione ottica o scansioneVerificare che i passaggi non siano ostruiti
Controllo della planaritàPiano di riscontro o misura tridimensionaleIndividuare deformazioni della base
Confronto tra posizioniMisurazione di modelli stampati in aree diverseVerificare l’uniformità della piattaforma
Confronto tra cicliMisurazione statistica di produzioni successiveValutare la ripetibilità del sistema ZCZH
Controllo del pesoBilancia di precisioneIndividuare variazioni nella quantità di cera depositata
Verifica della giunzione all’alberoControllo visivo e meccanicoEvitare distacchi durante il rivestimento ceramico
Prova di eliminazione della ceraCiclo termico controllatoVerificare la compatibilità con il processo di microfusione

Possibili difetti e relative cause

Difetto osservatoCause possibiliIntervento tecnico
Zone mancantiUgelli ostruiti o deposizione interrottaPulizia con Xaar Sure Flow e verifica degli ugelli
Bordi poco definitiGocce eccessivamente grandi o temperatura non correttaRegolazione del volume delle gocce e del controllo termico
Superficie ondulataDeposizione non uniforme o movimento degli assi irregolareCalibrazione della macchina e controllo delle testine
Deformazione del modelloRaffreddamento non uniforme o orientamento inadeguatoModifica dell’orientamento e stabilizzazione termica
Pareti sottili danneggiateSpessore insufficiente o rimozione non correttaRevisione della geometria e della procedura di distacco
Differenze tra le aree della piattaformaTestine non allineate o temperatura non uniformeCalibrazione e verifica del sistema di riscaldamento
Gocce fuori posizionePressione instabile o parametri della forma d’onda non adeguatiControllo del circuito del fluido e dei parametri di azionamento
Ostruzione degli ugelliSedimentazione, impurità o cera non stabileFiltrazione, ricircolo TF Technology e pulizia
Distacco tra gli stratiSolidificazione o temperatura non corretteRevisione dei parametri termici e della strategia di deposizione
Crepe nel guscio ceramicoEspansione o evacuazione non controllata della ceraOttimizzazione del ciclo di eliminazione della cera
Getto metallico fuori tolleranzaContrazione della lega o deformazione del guscioCompensazione dimensionale e controllo della colata
Difetti ripetuti nello stesso puntoProblema localizzato della testina o della piattaformaMappatura degli ugelli e verifica dell’allineamento

Campi di applicazione della soluzione ZCZH

SettoreEsempi di utilizzoMotivo dell’impiego
GioielleriaAnelli, pendenti, montature e decorazioniProduzione di dettagli fini e varianti personalizzate
AerospazioComponenti complessi e parti di sviluppoRiduzione delle attrezzature durante la progettazione
AutomotivePrototipi, componenti meccanici e piccole seriePossibilità di verificare più versioni geometriche
Dispositivi medicaliComponenti personalizzati e strumenti specialiProduzione di quantità limitate
Macchine industrialiRicambi e parti non più disponibiliProduzione digitale su richiesta
Attrezzature di precisioneComponenti con cavità e forme articolateRiduzione delle lavorazioni necessarie sul modello
Ricerca e sviluppoCampioni e prove metallurgicheModifica rapida del file CAD
Fonderie conto terziLotti differenti sulla stessa piattaformaGestione di ordini diversificati senza stampi separati

Di Fantasy

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