Wie man in das Wachsausschmelzverfahren einsteigt (mit einer Prise 3D-Druck)

Ich habe immer gedacht, dass man mit Metall drei Dinge machen kann: es schneiden, biegen und verbinden. Sicher, ich wusste, dass man es schmelzen kann, aber das passierte immer in großen Gießereien – man entwirft etwas und verschickt es zum Gießen in ein großes, eckiges Gebäude, das Rauch ausstößt. Schließlich ist das Schmelzen der meisten Metalle schwierig. Silber schmilzt bei 1.763 °F. Kupfer bei 1.983 °F. Sie müssen nicht nur eine Umgebung schaffen, die diesen Temperaturen standhält, sondern Sie müssen sie auch aus Materialien bauen, die diesen Temperaturen standhalten.

Es stellte sich heraus, dass das Schmelzen von Metall gar nicht so schlimm ist. Überraschenderweise habe ich festgestellt, dass der schwierigste Teil des Prozesses zumindest für einen Ingenieur wie mich darin besteht, das Muster zu erstellen, das in Metall nachgebildet werden soll. Dieser Teil ist reine Kunst, aber zum Glück habe ich gelernt, dass wir Technologie nutzen können, um ein bisschen zu schummeln.

Als ich Anfang des Jahres beschloss, mit dem Casting zu beginnen, wusste ich so gut wie nichts darüber. Bevor wir hier auf die Details eingehen, werfen wir einen kurzen Überblick, um Ihnen den ersten Tag zu ersparen, den ich damit verbracht habe, den Prozess zu recherchieren. Im Wesentlichen sind hier die Schritte aufgeführt, die beim Wachsausschmelz- oder Feingussguss erforderlich sind:

Ich hatte schon seit letztem Herbst mit dem Gedanken gespielt, es auszuprobieren, wusste aber nicht wirklich, wo ich anfangen sollte. Da es sich offenbar um eine Menge Ausrüstung handelte und ich kein Bildhauer bin, wusste ich, dass das Erstellen von Mustern eine Herausforderung sein würde. Ich hatte gehört, dass man Wachsmuster in 3D drucken könnte, anstatt sie von Hand zu schnitzen, aber die beste Maschine für diese Aufgabe ist ein SLA-Drucker, der unerschwinglich teuer ist, dachte ich zumindest.

Diese Wahrnehmung änderte sich, als mein Bruder Sam einen Elegoo Mars 3D-Drucker kaufte. Ich war überrascht, dass man ein SLA-Gerät für weniger als 300 US-Dollar bekommen konnte, und war von der Qualität der damit produzierten Drucke völlig überwältigt. Ich konnte etwas Druckerharz für den Feinguss besorgen und mein erstes Muster drucken – zwei kleine Pikachus und einen Turm.

Ich verwende PowerResins WAX für mein Druckharz. Es ist teuer, druckt aber sehr gut und brennt sauber aus. Es gibt zwar Probleme mit der Haftung auf der Bauplattform, aber Sie können dies umgehen, indem Sie die Platte grundieren. Einige Leute empfehlen, einige Schichten Harz aufzumalen und diese vor dem Drucken mit UV-Licht auszuhärten. Ich folge einem Tipp, den ich in diesem YouTube-Video gefunden habe, und füge einfach ein paar Grundierungsschichten in meinen Druck ein. Das mag etwas verschwenderisch erscheinen, aber wenn dadurch verhindert wird, dass sich ein Abdruck von der Platte löst, lohnt es sich.

Natürlich können wir hier auch den klassischen Weg gehen und unsere Muster stattdessen von Hand anfertigen. Ich habe es ausprobiert und hatte Erfolg damit, einfache Dinge wie einen Ring herzustellen, den ich aus Wachs geschnitzt habe, aber bei komplizierteren Designs wäre ich verloren gegangen. Wie gesagt, ich bin kein Bildhauer, aber es macht Spaß, ein Muster manuell zu schnitzen. Wachs ist in vielen Formen erhältlich – Platten, Blöcke, Ringrohlinge und andere. Es gibt einige wirklich schöne Schnitzwerkzeuge, die ich jetzt besitze, aber meinen ersten Ring habe ich mit einem Taschenmesser, einer Feile und einem Tellerschleifer geformt. Es geht auch nicht nur darum, Material zu entfernen – da Wachs leicht zu schmelzen ist, ist es üblich, Teile miteinander zu verschmelzen, um ein fertiges Stück zu schaffen.

Manche nehmen lieber ihr Wachsmodell oder etwas ganz anderes und stellen daraus eine Silikonform her, bevor sie mit dem Prozess beginnen. Dadurch können sie heißes Wachs (ein Verfahren namens Spritzguss) in das Silikon einspritzen, um das Muster zu erstellen und so das Original zu bewahren. Ich habe das Verfahren noch nie ausprobiert, aber es ist eine großartige Möglichkeit, mehrere Kopien eines Stücks anzufertigen.

Sobald wir etwas aus Metall nachbilden können, ist es Zeit, einen Baum zu machen. Der Baum ist eine Wachsstruktur, die alle Wachsstücke enthält, die wir gerade hergestellt haben, und sobald das Wachs aus der Form ausgebrannt ist, dient es als Führung für das geschmolzene Metall, wenn es gegossen wird. Die Äste des Baumes werden oft als Angüsse und der Vorgang als Sprünge bezeichnet. Um den Baum zu formen, beginnen wir mit einem zentralen Wachsstab und befestigen daran kleinere Wachsdrähte mit klebrigem Wachs und einem Wachsstift, der das Wachs erhitzt, um es zu schmelzen. (Mann, das ist eine Menge Wachs.) Anschließend können wir die Teile, die wir hergestellt haben, an diesen Drähten befestigen. Der Baum sitzt in einer Gussbasis aus Gummi, die oben in der Form eine Schale bildet, die als Knopf bezeichnet wird. Nachdem wir nun ein vollständiges Muster haben, ist es an der Zeit, eine Form anzufertigen.

Wir haben eine positive Bilanz unseres letzten Teils, aber jetzt müssen wir eine negative daraus machen. Wir nehmen einen Stahlzylinder namens Kolben und stecken ihn auf die Gussbasis. Auch hier benötigen wir Einbettgips – normaler Gips reicht nicht aus, da er der Hitze nicht standhält. Zum Glück ist es nicht schwer, eine Tasche mit dem richtigen Material in die Hände zu bekommen. Weniger zum Glück ist es böses Zeug. Ich trage immer eine Brille, Handschuhe und eine Atemschutzmaske, wenn ich damit arbeite und nebenbei auch draußen arbeite. Ich bürste sogar meine Kleidung ab, bevor ich ins Haus gehe. Es stellt sich heraus, dass der Inhaltsstoff, der die Einbettmasse bindet, freie Kieselsäure, beim Einatmen Krebs verursachen kann. Ich habe herausgefunden, dass man etwas, das hohen Temperaturen standhält und Pulver abgibt, wahrscheinlich nicht einatmen sollte. Wie auch immer, wir können etwas davon mit Wasser mischen und in den Kolben gießen. Zum Mischen meiner Investition verwende ich einen elektrischen Handmixer, der nie wieder in der Küche zu sehen sein wird.

Wenn wir es einfach hineingießen, wird das fertige Stück nicht sehr schön herauskommen. Durch den Mischvorgang entstehen Unmengen an Blasen in der Aufschlämmung, und dank der hohen Viskosität zerplatzen diese Blasen nicht von selbst. Ich verwende gerne eine Vakuumkammer, um meine Einbettmasse zu entblasen, bevor ich sie in den Kolben gieße – aber lassen Sie sich davon nicht abschrecken.

Meine „Vakuumkammer“ ist eine alte mechanische Pumpe, die an eine Kaffeedose von Maxwell House angeschlossen ist. Während die Pumpe läuft und sich die Tasse mit der Einbettmasse in der Kaffeedose befindet, klopfe ich einige Minuten lang kräftig auf die Kammer, damit die Blasen an die Oberfläche gelangen. Ein weiterer Trick, den ich gelernt habe, um Blasen zu entfernen, besteht darin, Isopropylalkohol auf das Modell zu wischen und den Überschuss direkt vor dem Eingießen der Einbettmasse abzuschütteln. Manche tragen gerne eine dünne Schicht Einbettmasse auf und lassen diese aushärten, bevor sie noch mehr mischen und in den Kolben gießen. Nach dem Eingießen stelle ich gerne die gesamte Flasche in die Vakuumkammer, um alle verbleibenden Blasen zu entfernen, während ich etwas sanfter gegen die Kammer klopfe. Sobald wir eine Flasche mit ausgehärtetem Gips haben, sollten wir ihn vollständig aushärten lassen: mindestens ein oder zwei Stunden, aber ich warte gerne über Nacht.

Also haben wir eine Nachbildung unseres letzten Stücks angefertigt und es dann in Metall und Gips eingebettet. Jetzt ist es an der Zeit, all unsere harte Arbeit zu zerstören, indem wir sie in den Ofen werfen. Nun, legen Sie es in einen Ofen. Sehr vorsichtig. Beim Tragen von Handschuhen und Schutzbrille.

In diesem Teil des Prozesses, der als Ausbrennen bezeichnet wird, entfernen wir das Wachs-/Kunststoffmodell aus der Form. Dadurch bleibt ein Hohlraum zurück, der, wenn wir bisher alles richtig gemacht haben, frei von Asche ist und bereit ist, etwas geschmolzenes Metall aufzunehmen. Es ist ein bisschen nervenaufreibend, besonders wenn wir Stunden damit verbracht haben, ein Wachsmodell zu schnitzen.

Ich öffne den Kolben gerne mit dem Loch nach unten, damit das Wachs beim Schmelzen in eine Schale tropfen kann, und drehe dann das Loch des Kolbens nach oben, damit die Gase entweichen können, sobald das Schmelzen abgeschlossen ist. Manche sagen, man solle es die ganze Zeit unter Verschluss halten. Investmenthersteller haben Zeitpläne (Zeiten und Temperaturen) empfohlen, aber mir gefällt einer von Practical Casting von Tim McCreight. Den Zeitplan, den ich verwende, habe ich im ursprünglichen Blogbeitrag aufgeführt, den ich am Anfang dieses Artikels verlinkt habe. Auch hier haben wir einen gewissen Spielraum bei der Wahl des Ofens; Für meine ersten Versuche benutzte ich einen Laborofen, den ich von der Nanofab-Werkbank meines Bruders geklaut hatte, und kehrte etwa alle 15 Minuten dorthin zurück, um die Temperaturen an die geplanten Anstiege anzupassen. Jetzt verwende ich einen speziell gebauten programmierbaren Ofen.

Der letzte Schritt in jedem Ausbrennplan besteht darin, den Kolben auf einer zum Gießen geeigneten Temperatur zu halten, im Allgemeinen einige hundert Grad unter der Gießtemperatur des Metalls. Normalerweise halte ich es bei 1250 °F, bis ich zum Gießen bereit bin.

Nach all der Arbeit haben wir endlich eine Form und jetzt ist es an der Zeit, sie zu füllen. Im Grunde schmelzen wir etwas Metall und gießen es in den Hohlraum. Für diesen Teil benötigen wir einen weiteren Ofen. Während unser Ofen den Kolben heiß hält, geben wir Metall in einen Tiegel, legen es in den Ofen und schmelzen es ein. Hier ist es wichtig, die Gießtemperatur des Metalls zu kennen – Silber schmilzt beispielsweise bei 1.763 °F, gießt aber bei etwa 1.850 °F. Ich habe das auf die harte Tour gelernt, als Silber, das in meinem Tiegel geschmolzen schien, in der Luft zwischen Tiegel und Kolben fest wurde, während ich versuchte, es einzuschenken. Wir müssen auch darauf achten, dass das Metall nicht kocht, was tatsächlich passieren kann.

Ähnlich wie im vorherigen Schritt begann ich mit einem von Sam gestohlenen Ofen, bevor ich mir einen für diese Aufgabe anschaffte. Sowohl mein Ofen als auch mein Brennofen sind kleine Elektroöfen, die von TableTop Furnaces (in Amerika!) hergestellt werden. Ich habe Links dazu in der vollständigen Ausrüstungsliste in dem Blog-Beitrag, auf den ich verlinkt habe.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie wir an den Guss herangehen können. Wir können den Kolben aus dem Ofen nehmen und einfach das Metall hineingießen. Dies wird als Schwerkraftguss bezeichnet, da wir auf die Schwerkraft angewiesen sind, um das geschmolzene Metall in die Form zu ziehen. Es funktioniert, aber wir sehen möglicherweise einen gewissen Detailverlust und ungefüllte Spalten, in denen das Metall nicht fließen konnte.

Eine andere Methode ist das sogenannte Schleudergießen, bei dem wir den Kolben mit einem daran befestigten Seil in eine Halterung stellen und ihn mit unseren Armen im Kreis neben uns hin und her schwingen. Die Zentrifugalkraft hilft dabei, Metall an schwer zugängliche Stellen zu drücken. Ich habe diese Methode nicht ausprobiert, da sie mir aus offensichtlichen Gründen Angst macht.

Eine etwas sanftere Variante des Schleudergusses ist der Schleuderguss, bei dem der Kolben horizontal in eine Zentrifuge gestellt wird, die auf ähnliche Weise Metall in die Form zieht.

Meine bevorzugte Methode ist das Vakuumgießen. Ich habe oben in der Vakuumkammer meiner Kaffeedose ein Loch, auf das ich eine Silikonmatte lege (ebenfalls mit einem Loch durch). Der Einbettmassegips ist porös. Wenn ich also ein Vakuum durch den Kolben anlege, wird das geschmolzene Metall in die Form gezogen.

Beim Ausgießen sieht es oft so aus, als hätte die Form überhaupt kein Metall aufgenommen. Stattdessen sieht es so aus, als hätte sich das Metall einfach im Knopf angesammelt, anstatt durch den Hohlraum zu fließen. Das täuscht mich jedes Mal und der Guss gelingt fast immer gut.

Unabhängig von der gewählten Methode warten wir nun einige Minuten, bis der Knopf zu einer mattroten Farbe abgekühlt ist. An diesem Punkt können wir den Kolben in einem Eimer Wasser abschrecken. Übrigens mit einer Zange. Wir haben die ganze Zeit eine Zange benutzt. Wenn das Wasser rund um den Kolben kocht, löst sich die Einbettmasse auf und wir hören einen dumpfen Schlag, wenn der Metallbaum auf den Boden des Eimers fällt. Warten Sie etwa eine Minute, bis alles abgekühlt ist, vorausgesetzt, es ist genügend Wasser im Eimer: Ich verwende 5 Gallonen. (Weniger Wasser = mehr Abkühlzeit.) Schließlich können wir den Baum zurückholen und hoffentlich staunen, wie gut der Prozess verlaufen ist.

Wir sind fertig! Naja fast. Wir haben einen Metallbaum, aber was wir wollen, sind Metallteile. Es sei denn, die Teile, die wir gießen, sind winzige Bäume. In diesem Fall haben wir vermutlich einen Baum voller Bäume. Jetzt müssen wir noch ein paar Nachbearbeitungsschritte durchführen, um die Teile zu bereinigen.

Zuerst müssen sie vom Baum entfernt werden. Wir werden versuchen, das Teil vom Anguss so nah wie möglich am Teil abzuschneiden. Ich verwende dafür eine Juweliersäge und eine kleine Bügelsäge, aber auch ein Rotationswerkzeug oder eine größere Säge sollten gut funktionieren. Sobald die Teile getrennt sind, können wir sie reinigen. Oftmals schleife ich die Reste des Angusses mit einer Schleifscheibe ab und repariere den Bereich mit einer Feile. Eventuelle Blasen oder andere Mängel können auf ähnliche Weise ausgebessert werden, dann geht es in einen Tumbler.

Ich spüle das Teil gerne mehrere Stunden lang mit Dawn-Spülmittel und Wasser in Edelstahlspülen, um es aufzupolieren. Dadurch wird die rohe Gussstruktur nicht weicher. Wenn wir also Oberflächen glätten möchten, müssen wir dies vorher mit Feilen und Schleifpapier tun. Die Nachbearbeitung ist eine Kunst für sich, daher können wir davon ausgehen, dass wir in diesem Bereich ziemlich viel Zeit investieren werden, je nachdem, welchen endgültigen Look wir erzielen möchten. Wenn das gegossene Finish akzeptabel ist, geht der Prozess viel schneller.

So, jetzt sind wir tatsächlich fertig. Jetzt müssen wir nur noch das coole Ding bewundern, das wir gerade gecastet haben, und unsere Freunde mit unserem neu entdeckten Hobby neidisch machen.

Seit ich denken kann, mache ich Dinge mit meinen Händen, aber dieser Prozess fühlt sich anders an als alle anderen. Es hat etwas Existenzielles, Stunden damit zu verbringen, ein Wachsmodell anzufertigen (oder sogar zu drucken), nur um es dann im Prozess der Entstehung von etwas Neuem zu verbrauchen. Die meisten Schritte dieses Prozesses sind ein „Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt“, daher muss alles, was wir tun, bewusst erfolgen und sowohl etwas schaffen als auch zerstören. Eventuelle Fehler im Wachsmodell werden bis zum endgültigen Metallstück übernommen. Es gibt unzählige Möglichkeiten, wie es schief gehen kann, aber es ist der erfreulichste Prozess, mit dem ich je gearbeitet habe.

Vielleicht lese ich aber zu weit in die ganze Sache hinein. Ich kann mit Sicherheit nur sagen, dass ich ein paar coole Sachen gemacht habe und dabei eine Menge Spaß hatte.