Silikon 3D-utskriftsteknik

Idag kan additiv tillverkning inte bara användas för prototypframställning utan har även stor potential inom förserietillverkning och serietillverkning. För 3D-utskrivna komponenter är materialegenskaper avgörande.

Inom detta område kan 3D-printade delar bara konkurrera med traditionellt tillverkade delar om de har samma mekaniska och kemiska egenskaper. Biokompatibilitet, värmebeständighet, hög elasticitet och andra krav gör silikon oumbärligt i många applikationer. Därför ser folk fram emot att kombinera fördelarna med additiv tillverkning med material som kisel. Den additiva tillverkningsprocessen av silikon är dock inte enkel. Denna artikel listar olika extruderingsbaserade metoder och processer, och visar i detalj de olika tvärbindningsmekanismerna och deras respektive fördelar och nackdelar.

Silikon 3D-utskrift: en extruderingsbaserad process

En avgörande fördel med extruderingsprocessen är det stora utbudet av vätskor och pastor som kan bearbetas, inklusive nästan alla typer av polysiloxaner: från låg viskositet till hög viskositet, från RTV (rumstemperaturvulkanisering) till standard LSR (Liquid Silicone Rubber) UV härdbar och partikelfylld silikon. Extruderingstillverkningsprocessen är mycket lik FLM-tryckning (Fused Layer Modeling), där materialet extruderas genom skrivhuvudet och avsätts lager för lager. Tvåkomponents LSR och RTV silikonprocess kommer att utvecklas nedan. LSR kräver termisk energi för tvärbindning, medan RTV-silikon kan reagera vid rumstemperatur.

△Flytande additiv tillverkning (LAM)-processen är lite som FDM, som är en materialextruderingsteknik. Varje lager extruderas, men det skiljer sig från metoder som FFF och FDM eftersom råvarorna inte smälter i processen. Tvärtom är LAM-materialet en vätska när det deponeras, och vätskan vulkaniseras genom värmeexponering så att materialet härdas termiskt och tvärbinds. Denna process gör det möjligt för materialet att behålla sina mekaniska egenskaper och skapar många nya applikationer. LAM 3D-utskrift kan göra att komponenter har nästan samma egenskaper som formsprutade delar och har högt tillämpningsvärde i medicinska, skor och flexibla material.

Tvärbunden LSR

Silikontryck involverar flytande material. Därför är de avgörande processparametrarna silikonens dimensionella stabilitet och tvärbindning. Det är också viktigt att styrkan hos den färdiga silikonen endast kan uppnås genom den kemiska reaktionen av materialet, såsom genom additionspolymerisation eller kondensationspolymerisation. I grund och botten har LSR silikon en skillnad mellan olika tvärbindningstider: tvärbindning under produktion och tvärbindning efter bearbetning eller efterbearbetning.

Tvärbindning i produktionsprocessen:

Uppvärmningsbyggd plattform: Härdbädden i den additiva tillverkningsmaskinen kan ge termisk tvärbindningsenergi. Beroende på silikonens reaktionstid kan tvärbindning ske inom några sekunder efter att ha extruderats på en uppvärmd värmebädd.

Denna process har emellertid en avgörande nackdel: temperaturfördelningen ändras med höjden på komponenten. Detta beror på att ju längre lagret är från byggplattformen, desto mindre värme ger det. Detta innebär att det är svårt att uppnå en tillförlitlig och konstant process för flerskiktskomponenter. Erfarenheten har visat att det inte längre är möjligt att använda ett varmbäddssystem för att tillverka komponenter som är större än 2 till 3 cm.

Tvärbindning skikt-för-skikt: Värmetillförsel till varje komponent från ovan kan uppnå enhetlig tvärbindning av valfritt antal skikt. Den värms direkt upp under utskrift, så komponenterna kan användas direkt efter utskrift. Denna metod kräver en extra värmekälla, såsom en infraröd lampa. Dessutom måste intensiteten och exponeringstiden anpassas till motsvarande lager, vilket gör hela tillverkningsprocessen dyrare och mer komplicerad.

Tvärbindning vid efterbehandling:

En annan metod är att använda materialets reologiska egenskaper och använda silikon som kan behålla sin form efter extrudering. Detta kan uppnås genom den höga viskositeten eller den höga tixotropin hos silikon eller en kombination av båda. De färdiga delarna av LSR-silikon placeras i en ugn i efterbearbetningssteget och tvärbinds vid lämplig temperatur. Samtidigt får värmetillförseln inte orsaka någon deformation av delarna. I denna process finns det inget behov av att använda ytterligare utrustning för att ge värme under utskriftsprocessen.

Stödmaterial

För överhängande eller överbryggande (sluten profil) strukturer måste bärande strukturer konstrueras för tillverkning. Detta stödmaterial ska vidhäfta silikonet under tillverkningsprocessen och motstå termiska förhållanden under tvärbindningsprocessen. Efter det måste det enkelt tas bort från den färdiga delen. Men att hitta ett lämpligt stödmaterial för varje typ av silikon är en utmaning, och konstruktionen av stödstrukturen kräver användning av ytterligare material och tid i tillverkningsprocessen.

RTV: tillverkad i hydrogel

Men det finns en process som tillåter designfrihet utan användning av bärande strukturer: tillverkning i olika material. För detta ändamål kan en lång nål användas för att extrudera silikonhartset i en behållare som innehåller ett"stödmaterial". Detta bärarmaterial kan till exempel vara pulver eller hydrogel. Processen visas i figuren:

△Silicon 3D-utskrift: tillverkningsprocessen inuti hydrogelen

I det första steget extruderas silikagelen (orange) in i bärarmaterialet (blått), och de extruderade strängarna fixeras av det omgivande materialet. Efter att den önskade strukturen har bildats och silikonen är tvärbunden, kan komponenten avlägsnas från materialet med en pincett. Slutligen, ta bort eller helt enkelt tvätta bort resterna av stödmaterialet. RTV-silikoner är särskilt lämpliga för denna process eftersom de tvärbinder på kort tid (30 till 60 minuter). Efter att komponenterna tagits bort kan stödmaterialet användas igen.

△DNA-struktur gjord av silikagel, tillverkad som en 3D-printad komponent i en hydrogel.

Den största fördelen med denna metod är den höga graden av designfrihet. Det är varken begränsat av branta överhäng eller begränsat av broar. Till exempel är DNA-dubbelhelixstrukturen på bilden tryckt med en 0,3 mm nål. Än så länge är det svårt att slutföra den fina kopplingen mellan spiralerna med hjälp av andra processer. Nackdelen med denna teknik är dock att det krävs en stor mängd stödmaterial för att tillverka större komponenter, och det är vanligtvis omöjligt att tillverka LSR-material med denna process.

Sammanfattning-Silicon 3D-utskrift

På grund av det stora utbudet av extruderingsbaserade tillverkningsprocesser kan nästan alla komponenter tillverkas med silikagel. Beroende på önskad geometri och typ av silikon kan lämplig process väljas. Grunden och kriteriet för en framgångsrik tillverkningsprocess är alltid den exakta och repeterbara doseringen av silikon. Potentialen med silikon 3D-utskrift är dock långt ifrån uttömd. Speciellt med användningen av ny teknik, som nya stödmaterial (som hydrogeler), tror Antarctic Bear att fler nya konstruktioner fortfarande är på väg.