Siliconen 3D-afdruktechnologie

Tegenwoordig kan additieve productie niet alleen worden gebruikt voor prototyping, maar heeft het ook een groot potentieel in pre-serieproductie en productie van seriële onderdelen. Voor 3D-geprinte componenten zijn materiaaleigenschappen van cruciaal belang.

Op dit gebied kunnen 3D-geprinte onderdelen alleen concurreren met traditioneel vervaardigde onderdelen als ze dezelfde mechanische en chemische eigenschappen hebben. Biocompatibiliteit, hittebestendigheid, hoge elasticiteit en andere vereisten maken siliconen onmisbaar in veel toepassingen. Daarom kijken mensen ernaar uit om de voordelen van additive manufacturing te combineren met materialen zoals silicium. Het additieve fabricageproces van siliconen is echter niet eenvoudig. Dit artikel somt verschillende op extrusie gebaseerde methoden en processen op, waarbij in detail de verschillende verknopingsmechanismen en hun respectieve voor- en nadelen worden getoond.

3D-printen met siliconen: een op extrusie gebaseerd proces

Een beslissend voordeel van het extrusieproces is de grote verscheidenheid aan vloeistoffen en pasta's die kunnen worden verwerkt, waaronder bijna alle soorten polysiloxanen: van lage viscositeit tot hoge viscositeit, van RTV (Room Temperature Vulcanization) tot standaard LSR (Liquid Silicone Rubber) UV uithardbare en met deeltjes gevulde siliconen. Het extrusieproductieproces lijkt sterk op FLM-printen (Fused Layer Modeling), waarbij het materiaal door de printkop wordt geëxtrudeerd en laag voor laag wordt afgezet. Het tweecomponenten LSR's en RTV-siliconenproces zullen hieronder worden ontwikkeld. LSR vereist thermische energie voor verknoping, terwijl RTV-siliconen bij kamertemperatuur kunnen reageren.

△Het vloeibare additieve fabricageproces (LAM) lijkt een beetje op FDM, een materiaalextrusietechnologie. Elke laag wordt geëxtrudeerd, maar verschilt van methoden als FFF en FDM omdat de grondstoffen niet smelten tijdens het proces. Integendeel, het LAM-materiaal is een vloeistof wanneer het wordt afgezet, en de vloeistof wordt gevulkaniseerd door blootstelling aan warmte, zodat het materiaal thermisch wordt uitgehard en verknoopt. Door dit proces behoudt het materiaal zijn mechanische eigenschappen en ontstaan ​​er veel nieuwe toepassingen. LAM 3D-printen kan ervoor zorgen dat componenten bijna dezelfde kenmerken hebben als spuitgegoten onderdelen, en heeft een hoge toepassingswaarde in medische, schoenen en flexibele materialen.

Verknoopte LSR

Bij siliconenprinten gaat het om vloeibare materialen. De beslissende procesparameters zijn daarom de maatvastheid en vernetting van de siliconen. Het is ook belangrijk dat de sterkte van de afgewerkte siliconen alleen kan worden bereikt door de chemische reactie van het materiaal, zoals door additiepolymerisatie of condensatiepolymerisatie. In principe heeft LSR-silicone een verschil tussen verschillende vernettingstijden: vernetting tijdens productie en vernetting na verwerking of nabewerking.

Verknoping in het productieproces:

Verwarmingsplatform: het broeinest in de machine voor additieve productie kan thermische vernettingsenergie leveren. Afhankelijk van de reactietijd van de siliconen kan verknoping optreden binnen enkele seconden na extruderen op een verwarmde broeinest.

Dit proces heeft echter een beslissend nadeel: de temperatuurverdeling verandert met de hoogte van het onderdeel. Dit komt omdat hoe verder de laag van het bouwplatform verwijderd is, hoe minder warmte deze levert. Dit betekent dat het moeilijk is om een ​​betrouwbaar en constant proces te realiseren voor meerlaagse componenten. De ervaring leert dat het niet meer haalbaar is om met een hot bed-systeem onderdelen groter dan 2 tot 3 cm te vervaardigen.

Laag-voor-laag verknoping: Warmte-invoer van bovenaf naar elk onderdeel kan een uniforme verknoping van een willekeurig aantal lagen bereiken. Het wordt direct verwarmd tijdens het printen, zodat de componenten direct na het printen kunnen worden gebruikt. Deze methode vereist een extra warmtebron, zoals een infraroodlamp. Bovendien moeten de intensiteit en belichtingstijd worden aangepast aan de betreffende laag, wat het hele fabricageproces duurder en gecompliceerder maakt.

Verknoping in nabehandeling:

Een andere methode is om de reologische eigenschappen van het materiaal te gebruiken en siliconen te gebruiken die na extrusie zijn vorm kunnen behouden. Dit kan worden bereikt door de hoge viscositeit of hoge thixotropie van siliconen of een combinatie van beide. De afgewerkte onderdelen van LSR-siliconen worden in de nabewerkingsfase in een oven geplaatst en op een geschikte temperatuur vernet. Tegelijkertijd mag de warmte-inbreng geen vervorming van de onderdelen veroorzaken. In dit proces is het niet nodig om extra apparatuur te gebruiken om warmte te leveren tijdens het printproces.

Ondersteunend materiaal

Voor overhangende of overbruggende (gesloten profiel)constructies moeten draagconstructies worden geconstrueerd voor fabricage. Dit ondersteuningsmateriaal moet tijdens het fabricageproces aan de siliconen hechten en bestand zijn tegen thermische omstandigheden tijdens het vernettingsproces. Daarna moet het gemakkelijk van het voltooide onderdeel worden verwijderd. Het vinden van een geschikt ondersteuningsmateriaal voor elk type siliconen is echter een uitdaging, en de constructie van de ondersteuningsstructuur vereist het gebruik van extra materialen en tijd in het productieproces.

RTV: gemaakt in hydrogel

Maar er is een proces dat ontwerpvrijheid mogelijk maakt zonder het gebruik van ondersteunende structuren: fabricage in verschillende materialen. Voor dit doel kan een lange naald worden gebruikt om de siliconenhars te extruderen in een container met een"dragermateriaal". Dit dragermateriaal kan bijvoorbeeld poeder of hydrogel zijn. Het proces is weergegeven in de afbeelding:

△Siliconen 3D-printen: het productieproces in de hydrogel

In de eerste stap wordt de silicagel (oranje) geëxtrudeerd in het dragermateriaal (blauw) en worden de geëxtrudeerde strengen gefixeerd door het omringende materiaal. Nadat de gewenste structuur is gevormd en de siliconen zijn verknoopt, kan het onderdeel met een pincet van het materiaal worden verwijderd. Verwijder tot slot de resten van het dragermateriaal of spoel ze gewoon weg. RTV-siliconen zijn hiervoor bijzonder geschikt omdat ze in korte tijd (30 tot 60 minuten) verknopen. Na het verwijderen van de componenten kan het dragermateriaal opnieuw worden gebruikt.

△DNA-structuur gemaakt van silicagel, vervaardigd als een 3D-geprint onderdeel in een hydrogel.

Het grootste voordeel van deze methode is de hoge mate van ontwerpvrijheid. Het wordt niet beperkt door steile overstekken, noch beperkt door bruggen. De dubbele DNA-helixstructuur in de afbeelding is bijvoorbeeld bedrukt met een naald van 0,3 mm. Tot nu toe is het moeilijk om de fijne verbinding tussen de spiralen te voltooien met behulp van andere processen. Het nadeel van deze technologie is echter dat er een grote hoeveelheid dragermateriaal nodig is om grotere componenten te vervaardigen, en het is meestal onmogelijk om LSR-materialen met dit proces te vervaardigen.

Samenvatting-Silicone 3D-printen

Vanwege de grote verscheidenheid aan op extrusie gebaseerde productieprocessen, kunnen bijna alle componenten met silicagel worden geproduceerd. Afhankelijk van de gewenste geometrie en het type siliconen kan het juiste proces worden gekozen. De basis en het criterium voor een succesvol productieproces is altijd de nauwkeurige en herhaalbare dosering van siliconen. Het potentieel van 3D-printen met siliconen is echter nog lang niet uitgeput. Vooral met het gebruik van nieuwe technologieën, zoals nieuwe ondersteunende materialen (zoals hydrogels), gelooft Antarctic Bear dat er nog meer nieuwe ontwerpen op komst zijn.