Силиконовая технология 3D-печати

Сегодня аддитивное производство может использоваться не только для создания прототипов, но также имеет большой потенциал для предсерийного производства и изготовления серийных деталей. Для компонентов, напечатанных на 3D-принтере, решающее значение имеют свойства материала.

В этой области детали, напечатанные на 3D-принтере, могут конкурировать с деталями традиционного производства только в том случае, если они имеют одинаковые механические и химические свойства. Биосовместимость, термостойкость, высокая эластичность и другие требования делают силикон незаменимым во многих областях применения. Поэтому люди стремятся объединить преимущества аддитивного производства с такими материалами, как силикон. Однако аддитивный процесс производства силикона непрост. В этой статье перечислены различные методы и процессы, основанные на экструзии, подробно показаны различные механизмы сшивания и их соответствующие преимущества и недостатки.

Силиконовая 3D-печать: процесс на основе экструзии

Решающим преимуществом процесса экструзии является широкий спектр обрабатываемых жидкостей и паст, включая почти все типы полисилоксанов: от низкой до высокой, от RTV (вулканизация при комнатной температуре) до стандартной LSR (жидкая силиконовая резина) UV. отверждаемый и наполненный частицами силикон. Процесс производства экструзией очень похож на печать FLM (Fused Layer Modeling), когда материал выдавливается через печатающую головку и наносится слой за слоем. Процесс двухкомпонентного LSR и силикона RTV будет разработан ниже. LSR требует тепловой энергии для сшивания, в то время как силикон RTV может реагировать при комнатной температуре.

△ Процесс жидкого аддитивного производства (LAM) немного похож на FDM, который представляет собой технологию экструзии материалов. Каждый слой экструдируется, но он отличается от таких методов, как FFF и FDM, потому что сырье не плавится в процессе. Напротив, материал LAM является жидкостью, когда он осаждается, и жидкость вулканизируется под воздействием тепла, так что материал термически отверждается и сшивается. Этот процесс позволяет материалу сохранять свои механические свойства и открывает множество новых применений. Благодаря 3D-печати LAM компоненты имеют почти те же характеристики, что и детали, полученные литьем под давлением, и имеют высокую ценность для применения в медицине, обуви и гибких материалах.

Сшитый LSR

Силиконовая печать предполагает использование жидких материалов. Таким образом, решающими параметрами процесса являются стабильность размеров и сшивание силикона. Также важно, что прочность готового силикона может быть достигнута только за счет химической реакции материала, например, за счет аддитивной полимеризации или конденсационной полимеризации. По сути, силикон LSR отличается разным временем сшивания: сшивкой во время производства и сшивкой после обработки или постобработки.

Сшивка в производственном процессе:

Платформа для нагрева: очаг в установке для аддитивного производства может обеспечивать тепловую энергию сшивания. В зависимости от времени реакции силикона сшивание может происходить в течение нескольких секунд после экструдирования на нагретом парнике.

Однако у этого процесса есть решающий недостаток: распределение температуры изменяется с высотой детали. Это связано с тем, что чем дальше слой от строительной платформы, тем меньше тепла он обеспечивает. Это означает, что трудно добиться надежного и постоянного процесса для многослойных компонентов. Опыт показал, что использовать систему горячего слоя для изготовления компонентов размером более 2–3 см уже невозможно.

Послойное сшивание: подвод тепла к каждому компоненту сверху может обеспечить равномерное сшивание любого количества слоев. Он нагревается непосредственно во время печати, поэтому компоненты можно использовать сразу после печати. Для этого метода требуется дополнительный источник тепла, например, инфракрасная лампа. Кроме того, интенсивность и время воздействия должны быть адаптированы к соответствующему слою, что делает весь процесс изготовления более дорогим и сложным.

Сшивка в постобработке:

Другой метод - использовать реологические свойства материала и использовать силикон, который может сохранять свою форму после экструзии. Это может быть достигнуто за счет высокой вязкости или высокой тиксотропии силикона или их комбинации. Готовые детали из силикона LSR помещаются в печь на стадии постобработки и сшиваются при соответствующей температуре. При этом тепловложение не должно вызывать деформации деталей. В этом процессе нет необходимости использовать дополнительное оборудование для обеспечения тепла во время процесса печати.

Материальная поддержка

Для нависающих или перекрывающих конструкций (замкнутый профиль) несущие конструкции должны быть сконструированы для изготовления. Этот поддерживающий материал должен прилипать к силикону в процессе производства и выдерживать термические условия в процессе сшивания. После этого его нужно легко снимать с готовой детали. Однако поиск подходящего материала подложки для каждого типа силикона является сложной задачей, а строительство структуры поддержки требует использования дополнительных материалов и времени в производственном процессе.

RTV: изготовлен из гидрогеля

Но есть процесс, который дает свободу дизайна без использования опорных конструкций: изготовление из разных материалов. Для этой цели можно использовать длинную иглу для выдавливания силиконовой смолы в контейнер, содержащий&материал подложки" ;. Этот поддерживающий материал может быть, например, порошком или гидрогелем. Процесс показан на рисунке:

△ Силиконовая 3D-печать: процесс производства внутри гидрогеля

На первом этапе силикагель (оранжевый) экструдируется в материал носителя (синий), и экструдированные пряди фиксируются окружающим материалом. После того, как желаемая структура сформирована и силикон сшит, компонент можно удалить из материала с помощью пинцета. Наконец, удалите или просто смойте остатки материала подложки. Силиконы RTV особенно подходят для этого процесса, поскольку они сшивают за короткий период времени (от 30 до 60 минут). После удаления компонентов материал поддержки можно снова использовать.

△ Структура ДНК из силикагеля, изготовленная в виде 3D-печатного компонента в гидрогеле.

Самым большим преимуществом этого метода является высокая степень свободы дизайна. Он не ограничен ни крутыми свесами, ни мостами. Например, структура двойной спирали ДНК на картинке напечатана иглой 0,3 мм. Пока что сложно завершить тонкую связь между спиралями с помощью других процессов. Однако недостатком этой технологии является то, что для производства более крупных компонентов требуется большое количество поддерживающего материала, и, как правило, невозможно изготавливать материалы LSR с использованием этого процесса.

Резюме-Силиконовая 3D-печать

Из-за большого разнообразия производственных процессов, основанных на экструзии, почти все компоненты могут быть изготовлены из силикагеля. В зависимости от требуемой геометрии и типа силикона можно выбрать подходящий процесс. Основой и критерием успешного производственного процесса всегда является точное и повторяемое дозирование силикона. Однако потенциал силиконовой 3D-печати далеко не исчерпан. Antarctic Bear полагает, что особенно с использованием новых технологий, таких как новые поддерживающие материалы (например, гидрогели), новые разработки все еще находятся в разработке.