Alles, was Sie über den 3D-Wachsdruck wissen müssen
Der Begriff 3D-Wachsdruck ist zunächst etwas irreführend, da es sich bei diesem Verfahren um einen indirekten 3D-Druck handelt. Das heißt, der 3D-Druck wird nicht zur Fertigung des Endteils verwendet, sondern als Prozessschritt auf dem Weg dorthin. Durch den 3D-Wachsdruck können so Formen aus Wachs hergestellt werden, die als Modellgebung für das Endteil benötigt werden. Wachs ist folglich nicht das Material, aus dem das Endteil besteht. Es wird lediglich zur Erstellung dessen Form eingesetzt und dann ausgeschmolzen. Da die Wachsform letztendlich nicht besteht und “verloren geht”, spricht man häufig auch vom Lost Wax 3D-Druckverfahren oder vom französischen Begriff cire perdue aus dem Wachsausschmelzverfahren. Dort hat der 3D-Wachsdruck auch seine Ursprünge.
Das Wachsausschmelzverfahren ist ein Vorgehen aus dem Feingießen. Es handelt sich um ein Gießverfahren, mit dem kleinste Gussteile formgetreu und mit wenigen Schritten der Nachbearbeitung hergestellt werden können. Dieses Verfahren ist aufgrund seiner Maßgenauigkeit, der Details und der Oberflächenqualität traditionell sehr beliebt. Diese Ziele werden auch im 3D-Wachsdruck verfolgt. Im Unterschied zum herkömmlichen Wachsausschmelzen im Feinguss wird das Modell allerdings mit einem speziellen 3D-Wachsdrucker gedruckt und nicht per Hand gefertigt.
3D-Wachsdruck beruht ursprünglich auf dem Prinzip des Wachsausschmelzens aus dem Feinguss. (Bild: 3D Systems)
Der 3D-Wachsdruck dient in erster Linie dazu, Rohlinge und Gussformen herzustellen, die dann als Form für Objekte aus Metall oder Edelmetallen genutzt werden. Das Wachs bietet den Vorteil, dass es fast rückstandslos verbrennt und die Form nicht in einem aufwendigen Verfahren bearbeitet werden muss. Neben dem speziellen Druckwachs gibt es auch Filamente und Harze, die verbrennen und für denselben Zweck gedacht sind. Die 3D-Technologie erlaubt es, beinahe alle möglichen Designs zu drucken und Guss-Qualität mit komplexen Strukturen zu vereinen. Sehen wir uns den Vorgang also genauer an.
Wie funktioniert 3D-Wachsdruck?
Zunächst wird mit dem Design des Endteils begonnen. Dies geschieht über eine 3D-Modelliersoftware oder mittels Scans von Objekten, die originalgetreu nachgefertigt werden sollten. Anschließend erfolgt der Druck des Modells aus einem wachsähnlichen Kunststoff. Dafür wird ein spezieller 3D-Wachsdrucker benötigt, der das Material auch verarbeiten kann. Eventuell werden Stützstrukturen benötigt, sollte das Design sehr komplex ausfallen und z.B. Überhänge und Brücken aufweisen. Diese müssen nach dem Druck entfernt werden und das Modell gereinigt werden. Eventuell müssen kleinere Unebenheiten der Oberfläche ausgeglichen werden. Im Unterschied zum 3D-Wachsdruck wird das Modell beim herkömmliches Wachsausschmelzen gezeichnet und handwerklich gefertigt. Die weiteren Schritte unterscheiden sich kaum.
Ist das Wachsmodell gedruckt und gereinigt, heftet der 3D-Techniker den Rohling mit anderen Modellen an einen “Gussbaum”. Dabei handelt es sich um eine hohle Stange mit mehreren befestigten Bauteilen, welche in eine flüssige Masse eingetaucht werden. Diese kann aus Keramik, Ton oder Gips bestehen und dient als Außenschale und letztlich als Gussform. Um die Wachsmodelle legen sich dünne Schichten des jeweiligen Materials, das mithilfe von Gießtrichtern eingeflößt wird. Die Materialschicht, die das Modell aus Wachs umgibt, muss dann trocknen oder auch in einem Ofen gebrannt werden.
Das Wachs bzw. der Wachskunststoff schmilzt, fließt heraus oder verbrennt und zurück bleibt die Grünform des Endteils aus dem Formstoff. In diesen detaillierten Abdruck des Bau- oder Endteils wird dann das geschmolzene Endmaterial eingefügt. Sobald sich dieses verfestigt hat, muss die Form aus dem jeweiligen Werkstoff gebrochen werden. Man hält dann das fertige Objekt in den Händen. Je nach Anwendung und Material muss dieses dann in mehr oder weniger Schritten nachbearbeitet werden.
Diese Grafik veranschaulicht den Prozess des 3D-Wachsdrucks. (Bild: Sculpteo)
Vorteile und Limits des 3D-Wachsdrucks
Generell bietet die additive Fertigung im Vergleich zu subtraktiven Verfahren oder mancher Handwerkskunst mehr Designfreiheit. Sogar äußerst komplizierte Formen aus Metall können mittels 3D-Technologie modelliert und hergestellt werden. Die Formen und im weiteren Schritt die Endteile können viele Details aufweisen, wie etwa scharfe Kanten usw. und sind sehr präzise. Tatsächlich kann mit dem 3D-Wachsdruck eine hohe Auflösung erzielt werden, mit einer Genauigkeit von ca. 25 μm. Die Genauigkeit hängt allerdings auch vom gewählten 3D-Druckverfahren ab und kann nicht pauschalisiert werden. Obwohl mit dem 3D-Wachsdruck ein geringer Toleranzspielraum der Teile erreicht werden kann, gilt es auch hier, die entsprechenden Normen zu berücksichtigen, etwa die VDG-Norm (umfasst Konstruktionshinweise für die Gestaltung von gegossenen Bauteilen aus Gusseisenwerkstoffen) oder die für den Guss relevanten DIN ISO-Normen. Das Erreichen dieser kann eventuell zur Herausforderung werden.
Dennoch besticht der 3D-Wachsdruck – wie andere additive Verfahren auch – durch sein Preis- / Leistungsverhältnis. Mit 3D-Druck können Prototypen und Kleinserien kostengünstig produziert werden. Auch zeitlich ergeben sich Vorteile. Analog gefertigte Formen als Auftragsleistung beanspruchen zwei bis zwölf Wochen in ihrer Fertigung und anschließender Lieferung. Der 3D-Druck erfolgt abhängig vom Modell in nur wenigen Stunden und kann direkt vor Ort erfolgen. Dadurch, dass ein Modell schnell überarbeitet werden kann, kann auf Schwierigkeiten unmittelbar reagiert werden und der 3D-Druck erlaubt Iterationen.
Der 3D-Wachsdruck ermöglicht Designfreiheit und schnelle Anpassungen bei Prototypen und Kleinserien. (Bild: Sculpteo)
Auch im Hinblick auf die Nachhaltigkeit punktet das Verfahren. Beim 3D-Druck werden nur die Materialien verdruckt, die für das Modell benötigt werden, es fällt also kaum Abfall an. Der Wachsabfall des 3D-Wachsdrucks verbrennt entweder rückstandslos oder kann in anderen Bereichen wieder eingesetzt werden.
Wer sich für das Verfahren entscheidet, sollte sich allerdings darüber bewusst sein, dass der 3D-Wachsdruck etwas Geduld erfordert und sich nicht für große und sperrige Modelle eignet. Da das Wachsverfahren nur einen Zwischenschritt im gesamten Prozess vom Modell bis zum fertigen Teil einnimmt, fällt der Gesamtprozess länger aus als das bei regulären 3D-Druckverfahren der Fall ist, bei denen direkt das Endteil gedruckt wird.
Wo wird der 3D-Wachsdruck angewendet?
Wenn es zu den Anwendungen kommt, gibt es zahlreiche Bereiche, in denen der 3D-Wachsdruck eingesetzt wird. Es handelt sich dabei vorrangig um Anwendungen, die auf die Vorteile des Wachsdrucks abzielen und wo Genauigkeit, Präzision und Details gesucht werden. So kommt das Verfahren häufig in der Zahntechnik zum Einsatz, um Zahnabdruckmaterial zu erstellen. Ein anderes Beispiel aus der Medizin ist die Anfertigung von Hüftpfannen als Implantate. Hüftpfannen bestehen aus einem schalenförmigen Kopf, auf dessen Oberfläche Hunderte von Tripoden – das sind kreuzförmige, filigrane Anker – enthalten sind.
Der 3D-Wachsdruck wird aber auch zum Fertigen von Gussmodellen oder Urmodellen im Maschinenbau eingesetzt. Neben dem Formenbau kommt das Verfahren auch im Modellbau zum Einsatz. So können Sammlerstücke und Miniaturausgaben hergestellt werden. Insbesondere hat sich der 3D-Wachsdruck aber in der Schmuck-Branche bewährt. Juweliere nutzen die Wachsdrucke etwa als Modelle für Gussformen. Dadurch können sie Prototypen erstellen und Vorserien produzieren und die Modelle als Formen nutzen, die sie mit Edelmetallen befüllen, um das endgültige Schmuckstücke zu fertigen.
Bild: 3D Systems
Technologien, Hersteller und Materialien für 3D-Wachsdruck
Für die Erstellung des Modells kommen mehrere Verfahren in Frage. Wird ein wachsähnliches Filament verwendet, kann die FDM-Technologie für den Wachsdruck verwendet werden. Wesentlich häufiger kommen allerdings SLA und Jetting-Technologien zum Einsatz. Bei der Stereolithografie wird dann ein wachsähnliches Harz verwendet, um die Form zu drucken. 3D Systems hatte ein SLA-Verfahren namens QuickCast entwickelt, welches für den Druck von Gussmodellen und Gussarbeiten in Luft- und Raumfahrt gedacht ist. Das Unternehmen hat auch ein weiteres Verfahren für den 3D-Wachsdruck. MultiJet Printing ist ein Verfahren aus dem Bereich Material Jetting und 3D Systems bietet mehrere Drucksysteme, die mit dieser Technologie arbeiten. 3D Systems führt mehrere Wachsdrucker im Sortiment: den Figure 4 Jewelry, den ProJet 2500 W Plus, und den ProJet 3600W. Diese Wachsdrucker zielen explizit auf den Druck von Juwelierwaren ab und finden eine breite Anwendung in der Schmuckindustrie.
Prodways war mit seinen Solidscape 3D-Druckern, die mit der Drop-on Demand-Technologie funktionieren, ein weiterer wichtiger Hersteller auf dem Markt für 3D-Wachsdrucker. Das Unternehmen gab jedoch unlängst bekannt, dass es seine Aktivitäten in diesem Segment einstellte und sich stattdessen auf sein Geschäft mit industriellen 3D-Druckern konzentrieren wollte. Binder Jetting eignet sich neben den Material Jetting-Verfahren ebenfalls für den 3D-Wachsdruck. Voxeljet führt den VX1000 in seinem Druckerportfolio, welcher im Binder Jetting-Verfahren sowohl Wachs als auch Keramik und Sand druckt.
3D Systems bietet mehrere Drucklösungen für den 3D-Wachsdruck an. (Bild: 3D Systems)
Es liegt nahe, dass die verschiedenen Hersteller von Drucklösungen auch Materialien dafür anbieten. Beim Wachs für den 3D-Druck handelt es sich wie eingangs erwähnt um einen Wachskunststoff. Generell können Wachse in drei Kategorien eingeteilt werden: natürliche Wachse (z.B. Bienenwachs, Sojawachs), mineralische, aus fossilen Brennstoffen gewonnene Wachse (z.B. Paraffinwachs, Montanwachs) und synthetische Wachse (Polyolefinwachs für Cremes, hydrosiliertes Wachs). Letztere kommen beim 3D-Druck zum Einsatz.
Werden Stützstrukturen benötigt, muss zu zwei verschiedenen Wachsarten gegriffen werden. Das Trägerwachs muss einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen, sodass die Stützen weggeschmolzen werden können, das Wachsmodell aber intakt bestehen bleibt. 3D Systems führt unter der Reihe VisiJet verschiedene Wachsmaterialien in verschiedenen Farben. Solidscape wiederum bietet ebenfalls sein eigenes Wachs an; Midas für das Modell und Melt für die Stützstrukturen. Auch bekannte Hersteller von Materialien für den 3D-Druck verkaufen Wachse. Polymaker vermarktet sein PolyCast Natural Filament als Filament für den Metallguss und Formfutura führt einige Wachs-Harze im Produktportfolio.
Wachse und 3D-Wachsdruck bilden innerhalb der Technologien und Anwendungen der additiven Fertigung zwar eine Nische, bieten aber Lösungen, die andere Verfahren und Stoffe nicht erreichen können. Gerade in der Schmuckherstellung und Branchen, in denen Details und komplexe Strukturen der Teile benötigt werden, etabliert sich der 3D-Wachsdruck und zeigt mit zahlreichen Möglichkeiten auf.
3D-gedrucktes Wachs. (Bild: Sculpteo)
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*Titelbildnachweis: MOIIN
