Cos’è la fusione a cera persa?

La fusione a cera persa è un procedimento per la creazione di oggetti, semplici o complessi, in una varietà di metalli (oro, argento, ottone o bronzo) mediante la fusione di un modello o stampo.

È una delle più antiche tecniche di formatura del metallo conosciute, risalente a 6000 anni fa, ma rimane tuttora ampiamente usata per produrre gioielli e opere d’arte, nonché in campo odontoiatrico. In ambito industriale la fusione a cera persa è comunemente usata per la creazione di parti metalliche di precisione per l’ingegneria e la produzione.

Anche se gli artisti sono tradizionalmente associati alla produzione artigianale, oggi possono avvalersi del design digitale e della stampa 3D per trasformare il procedimento di fusione a cera persa e, così facendo, semplificare il flusso di lavoro, risparmiare tempo e denaro, nonché adattare questo procedimento al  XXI secolo. 

Continua a leggere per scoprire come le tecnologie digitali hanno ridato vita alla fusione a cera persa e quali sono le implicazioni per odontoiatria, gioielleria e produzione.

Il procedimento di fusione a cera persa

Il procedimento di fusione a cera persa varia in base al settore e alle applicazioni ma, di solito, consiste dei seguenti passaggi. Le parti fuse si possono realizzare partendo da un modello in cera, il cosiddetto metodo diretto, o da repliche del modello originale in cera, secondo quello che viene chiamato metodo indiretto. Il metodo diretto passa direttamente dal primo al quarto passaggio.

1. Creazione del modello: l’artista scolpisce un modello nella cera. Le dimensioni e la complessità del modello in cera dipenderanno dalla sua abilità nell’intagliare la cera e dalla capienza dell’attrezzatura per la fusione. 

2. Creazione di uno stampo: una fonderia fonde quindi il modello e leviga il pezzo colato per produrre un modello master. Il modello master viene usato per ricavare uno stampo per la cera in gomma, che viene riscaldata e “vulcanizzata” intorno al pezzo di colata originale per creare uno stampo per la cera flessibile.

3. Produzione di modelli in cera: la cera fusa viene iniettata o, a volte, versata nello stampo di gomma. Questo processo si può ripetere quante volte necessario per ottenere delle copie del design originale.

4. Assemblaggio del modello in cera: vengono aggiunti alle copie in cera dei canali di colata, che vengono collegati per creare una sorta di struttura ad albero, che definisce il percorso per la fuoriuscita della cera fusa e il flusso di metallo fuso con cui in seguito verrà riempita la cavità. 

5. Applicazione dei materiali di rivestimento: l’albero in cera viene immerso in un impasto di silice o messo in un cilindro e circondato  dal materiale di rivestimento in forma di gesso liquido.

6. Combustione: una volta seccatosi il materiale di rivestimento, il cilindro viene capovolto all’interno di una fornace che scioglie la cera, lasciando una cavità in negativo con la forma del modello originale.

7. Colata: il materiale di rivestimento  viene ulteriormente riscaldato in una fornace per ridurre la differenza termica con il metallo fuso. Il metallo viene fuso e poi versato, usando la gravità o la pressione sottovuoto per spingere il metallo all’interno della cavità.

8. Rimozione del rivestimento: una volta che il metallo fuso si è raffreddato, il materiale di rivestimento viene raffreddato in acqua per dissolvere il gesso refrattario e liberare il risultato grezzo della fusione. I canali di colata vengono tagliati e riciclati, mentre le parti fuse vengono ripulite per rimuovere i segni del procedimento di fusione.

9. Finitura: le parti fuse vengono limate, levigate, lavorate o sabbiate per ottenere la geometria e la finitura superficiale finali. Se necessario, le parti fuse vengono anche sottoposte a trattamenti termici per migliorare le proprietà meccaniche del materiale. 

Un breve riepilogo della lunga storia della fusione a cera persa

Non è un’esagerazione affermare che la fusione a cera persa è tanto antica quanto la civiltà stessa. Manufatti come scettri, sculture e oggetti d’arredamento ottenuti mediante fusione a cera persa sono stati scoperti nei luoghi più disparati, come Israele, Vietnam, Nigeria, Nicaragua e la valle dell’Indo. Il più antico oggetto conosciuto realizzato con questa tecnica è un amuleto creato da una civiltà della valle dell’Indo più di 6000 anni fa.

Dopo secoli di utilizzo per la produzione di ornamenti scultorei e per il processo di stampa, la fusione a cera persa iniziò a essere soppiantata dallo stampaggio multicomponente nell’Europa del XVIII secolo. Parti del procedimento vennero adattate in modo che la fusione a cera persa soddisfacesse le esigenze del crescente settore industriale nel XIX secolo.

In odontoiatria la fusione a cera persa è ampiamente usata per creare corone, inlay e onlay d’oro. L’eredità della fusione a cera persa è tuttora ben visibile.

Adattare la fusione a cera persa al XXI secolo con il design digitale e la stampa 3D

Oggi i software digitali e la stampa 3D ottimizzano la fusione a cera persa grazie ai vantaggi dei processi digitali di design e fabbricazione.

Con il workflow digitale, i designer si servono di un software CAD per creare i design in formato digitale e di una stampante 3D ad alta risoluzione per produrre modelli stampati in 3D che successivamente potranno essere colati nello stampo. Dopo aver effettuato la combustione del modello positivo, il processo seguito è identico a quello della fusione a cera persa tradizionale. 

Grazie alle tecniche digitali è possibile ridurre notevolmente la manodopera e il design stesso è facile da conservare, modificare e ricreare a seconda delle necessità. 

Applicazioni della fusione a cera persa con le tecnologie digitali

Dagli ingegneri ai gioiellieri, sono diversi i professionisti che hanno deciso di avvalersi delle nuove possibilità di fusione a cera persa rese possibili dalle tecnologie digitali.

Gioielleria

Uno dei primi casi d’uso della fusione a cera persa è stata la produzione di gioielli e ornamenti pregiati. Ma i modelli in cera per gioielli dal design ricercato sono difficili da produrre a mano e, in un mondo in cui la domanda di accessori di moda rapidamente disponibili è in continua crescita, i pezzi realizzati a mano difficilmente riescono a stare al passo con la domanda. 

I designer di gioielli possono avvalersi di un software CAD per progettare pezzi di gioielleria, il che rende più semplice la creazione e la modifica di geometrie complicate, che un tempo avrebbero richiesto ore di lavoro meticoloso per intagliare la cera.

Il design digitale, i materiali avanzati e le stampanti 3D in-house a prezzi accessibili stanno cambiando il modo di lavorare di designer e produttori di gioielli in termini di progettazione, prototipazione e produzione.

La stampa 3D stereolitografica è in grado di riprodurre particolari complessi che sarebbero altrimenti difficili da scolpire a mano.

I designer di gioielli possono avvalersi di un software CAD per progettare pezzi di gioielleria, il che rende più semplice la creazione e la modifica di geometrie complicate, che un tempo avrebbero richiesto ore di lavoro meticoloso per intagliare la cera.

Con stampanti 3D desktop a prezzi accessibili è possibile creare rapidamente modelli adatti alla fusione proprio come quelli realizzati in cera. La stampa 3D offre possibilità creative quasi illimitate in termini di geometria e design. Grazie alla precisione del laser, è possibile catturare con incredibile nitidezza straordinari dettagli di design quali delicate filigrane, scritte in rilievo e dettagliati pavé di pietre preziose.

I maggiori ostacoli all’adozione di un workflow digitale nel campo della gioielleria sono spesso le competenze di progettazione digitale e la formazione. Tuttavia, alla nuova generazione di designer che entrano nel settore della gioielleria vengono insegnate sia le basi del design tradizionale, sia l’uso di software CAD per gioielleria, e viene inoltre data loro una formazione sull’utilizzo della stampa 3D per prepararli ad affrontare l’inevitabile transizione.

Odontoiatria

In odontoiatria, la fusione a cera persa e la pressatura sono da decenni prassi consolidata per la produzione di inlay, onlay, corone (in lega ceramica o interamente in ceramica), scheletrati e altri impianti dentali. 

I modelli in cera vengono tradizionalmente formati a mano a partire da monconi funzionanti che replicano il dente o da modelli dell’arcata ricavati dall’impronta manuale dei pazienti. I modelli vengono quindi incanalati verso un albero di colata e bruciati, seguendo il tradizionale workflow della fusione a cera persa.

Con le tecnologie digitali i dentisti rilevano digitalmente l'anatomia del paziente, utilizzando uno scanner intraorale oppure un laboratorio scansiona un modello fisico o un'impronta mediante l’uso di uno scanner desktop. Le scansioni vengono importate nel software CAD e l’odontotecnico progetta i restauri desiderati. I modelli possono essere stampati in 3D con un materiale simile alla cera ed essere colati o pressati secondo il workflow tradizionale. 

Modelli per corone dentali, inlay, scheletrati e molto altro possono essere stampati in 3D con un materiale simile alla cera e colati o pressati secondo il workflow tradizionale. 

Anche in odontoiatria il design digitale non rappresenta un grosso limite dato che l’anatomia del paziente deriva da un’impronta. I software CAD dentali semplificano il processo di progettazione, mentre la stampa 3D automatizza quello di fabbricazione dei modelli che, solitamente, richiede l’intervento di un tecnico esperto e molti passaggi manuali.

Le tecnologie digitali applicate alla fusione a cera persa permettono di combinare i vantaggi di entrambe le tecniche e consentono ai laboratori odontotecnici di produrre modelli estremamente precisi, con un workflow digitale uniforme e affidabile e macchinari facili da usare. 

Produzione

Per settori che richiedono la produzione in massa di parti in metallo con un alto livello di precisione dimensionale, la fusione rimane un processo di fabbricazione molto efficiente in termini di costi e risultati ed è usata per produrre componenti critici nel settore aerospaziale, automobilistico e medico.

Tradizionalmente, i modelli per la fusione diretta a cera persa, la versione industriale della fusione a cera persa, vengono intagliati a mano o lavorati a macchina se non è prevista una produzione in massa. Con l’avvento della stampa 3D, gli ingegneri hanno potuto sperimentare con la stampa diretta dei modelli per poter ridurre i tempi di produzione e avere la libertà di creare geometrie che andassero oltre i limiti di design per la fabbricazione imposti dai processi di stampaggio. 

Parti in bronzo fuso da modelli stampati in 3D

Le stampanti 3D stereolitografiche (SLA) sono spesso considerate principalmente come strumenti per creare parti in plastica, ma la loro elevata precisione e l’ampio catalogo di materiali disponibili le rendono idonee ai workflow di produzione di parti metalliche a costi ridotti, con una maggiore libertà di design e tempi di realizzazione più rapidi rispetto ai metodi tradizionali.

La stampa 3D SLA e i workflow di fusione del metallo si possono usare anche per sfruttare la velocità e la flessibilità della stampa 3D senza dover sostenere il costo delle stampanti per metalli. 

Una rivoluzione della tradizione

L’evoluzione della fusione a cera persa grazie agli strumenti digitali è la prova che non sempre la tecnologia ci allontana dal passato. Se usate correttamente, queste tecniche possono produrre parti di alta qualità su larga scala, passando dai gioielli personalizzati alla produzione di massa di parti per il settore automobilistico. Il risultato è un nuovo straordinario livello di efficienza produttiva e libertà di design. 

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