Tecnologia di stampa 3D in silicone

Oggi, la produzione additiva non può essere utilizzata solo per la prototipazione, ma ha anche un grande potenziale nella produzione di pre-serie e nella produzione di parti in serie. Per i componenti stampati in 3D, le proprietà dei materiali sono fondamentali.

In questo campo, le parti stampate in 3D possono competere con le parti prodotte tradizionalmente solo se hanno le stesse proprietà meccaniche e chimiche. La biocompatibilità, la resistenza al calore, l'elevata elasticità e altri requisiti rendono il silicone indispensabile in molte applicazioni. Pertanto, le persone non vedono l'ora di combinare i vantaggi della produzione additiva con materiali come il silicio. Tuttavia, il processo di produzione additiva del silicone non è semplice. Questo articolo elenca vari metodi e processi basati sull'estrusione, mostrando in dettaglio i diversi meccanismi di reticolazione e i rispettivi vantaggi e svantaggi.

Stampa 3D in silicone: un processo basato sull'estrusione

Un vantaggio decisivo del processo di estrusione è l'ampia varietà di liquidi e paste che possono essere lavorati, compresi quasi tutti i tipi di polisilossani: da bassa viscosità ad alta viscosità, da RTV (Room Temperature Vulcanization) a LSR standard (Gomma siliconica liquida) UV silicone polimerizzabile e caricato con particelle. Il processo di produzione dell'estrusione è molto simile alla stampa FLM (Fused Layer Modeling), in cui il materiale viene estruso attraverso la testina di stampa e depositato strato per strato. Di seguito verranno sviluppati gli LSR bicomponenti e il processo siliconico RTV. LSR richiede energia termica per la reticolazione, mentre il silicone RTV può reagire a temperatura ambiente.

△Il processo di produzione additiva liquida (LAM) è un po' come l'FDM, che è una tecnologia di estrusione di materiali. Ogni strato è estruso, ma è diverso da metodi come FFF e FDM perché le materie prime non si fondono durante il processo. Al contrario, il materiale LAM è un liquido quando viene depositato e il liquido viene vulcanizzato mediante esposizione al calore in modo che il materiale venga termicamente indurito e reticolato. Questo processo consente al materiale di mantenere le sue proprietà meccaniche e crea molte nuove applicazioni. La stampa 3D LAM può far sì che i componenti abbiano quasi le stesse caratteristiche delle parti stampate a iniezione e ha un alto valore di applicazione in materiali medici, calzature e flessibili.

LSR . reticolato

La stampa in silicone coinvolge materiali liquidi. Pertanto, i parametri di processo decisivi sono la stabilità dimensionale e la reticolazione del silicone. È anche importante che la resistenza del silicone finito possa essere ottenuta solo attraverso la reazione chimica del materiale, ad esempio mediante polimerizzazione per addizione o polimerizzazione per condensazione. Fondamentalmente, il silicone LSR ha una differenza tra i diversi tempi di reticolazione: reticolazione durante la produzione e reticolazione dopo la lavorazione o la post-elaborazione.

Reticolazione nel processo produttivo:

Piattaforma di costruzione del riscaldamento: il focolaio nella macchina di produzione additiva può fornire energia di reticolazione termica. A seconda del tempo di reazione del silicone, la reticolazione può avvenire entro pochi secondi dopo essere stato estruso su un focolaio riscaldato.

Tuttavia, questo processo presenta uno svantaggio decisivo: la distribuzione della temperatura cambia con l'altezza del componente. Questo perché più lo strato è lontano dalla piattaforma di stampa, meno calore fornisce. Ciò significa che è difficile ottenere un processo affidabile e costante per i componenti multistrato. L'esperienza ha dimostrato che non è più possibile utilizzare un sistema a letto caldo per produrre componenti più grandi di 2 o 3 cm.

Reticolazione strato per strato: l'apporto di calore a ciascun componente dall'alto può ottenere una reticolazione uniforme di qualsiasi numero di strati. Viene riscaldato direttamente durante la stampa, quindi i componenti possono essere utilizzati immediatamente dopo la stampa. Questo metodo richiede una fonte di calore aggiuntiva, come una lampada a infrarossi. Inoltre, l'intensità e il tempo di esposizione devono essere adattati allo strato corrispondente, il che rende l'intero processo di fabbricazione più costoso e complicato.

Reticolazione nel post-trattamento:

Un altro metodo consiste nell'utilizzare le proprietà reologiche del materiale e utilizzare silicone che può mantenere la sua forma dopo l'estrusione. Ciò può essere ottenuto dall'elevata viscosità o dall'elevata tissotropia del silicone o da una combinazione di entrambi. I pezzi finiti realizzati in silicone LSR vengono posti in un forno nella fase di post-lavorazione e reticolati ad una temperatura appropriata. Allo stesso tempo, l'apporto di calore non deve causare alcuna deformazione delle parti. In questo processo, non è necessario utilizzare apparecchiature aggiuntive per fornire calore durante il processo di stampa.

Materiale di supporto

Per le strutture a sbalzo o a ponte (profilo chiuso), le strutture di supporto devono essere costruite per la produzione. Questo materiale di supporto deve aderire al silicone durante il processo di fabbricazione e resistere alle condizioni termiche durante il processo di reticolazione. Successivamente, deve essere facilmente rimosso dalla parte finita. Tuttavia, trovare un materiale di supporto adatto per ogni tipo di silicone è una sfida e la costruzione della struttura di supporto richiede l'uso di materiali aggiuntivi e tempo nel processo di produzione.

RTV: realizzato in idrogel

Ma c'è un processo che consente libertà progettuale senza l'uso di strutture portanti: la produzione in materiali diversi. A tale scopo si può utilizzare un lungo ago per estrudere la resina siliconica in un contenitore contenente un"materiale di supporto". Questo materiale di supporto può essere, ad esempio, polvere o idrogel. Il processo è mostrato in figura:

△Stampa 3D in silicone: il processo di fabbricazione all'interno dell'idrogel

Nella prima fase, il gel di silice (arancione) viene estruso nel materiale di supporto (blu) e i fili estrusi vengono fissati dal materiale circostante. Dopo che la struttura desiderata è stata formata e il silicone è reticolato, il componente può essere rimosso dal materiale con una pinzetta. Infine, rimuovere o semplicemente lavare via i residui del materiale di supporto. I siliconi RTV sono particolarmente indicati per questo processo perché reticolano in un breve periodo di tempo (da 30 a 60 minuti). Dopo aver rimosso i componenti, il materiale di supporto può essere riutilizzato.

△Struttura del DNA in gel di silice, prodotta come componente stampato in 3D in un idrogel.

Il più grande vantaggio di questo metodo è l'alto grado di libertà di progettazione. Non è né limitato da strapiombi ripidi né limitato da ponti. Ad esempio, la struttura a doppia elica del DNA nell'immagine è stampata con un ago da 0,3 mm. Finora, è difficile completare la sottile connessione tra le spirali utilizzando altri processi. Tuttavia, lo svantaggio di questa tecnologia è che è necessaria una grande quantità di materiale di supporto per produrre componenti più grandi e di solito è impossibile produrre materiali LSR utilizzando questo processo.

Riepilogo-Stampa 3D in silicone

A causa dell'ampia varietà di processi di produzione basati sull'estrusione, quasi tutti i componenti possono essere prodotti con gel di silice. A seconda della geometria richiesta e del tipo di silicone, è possibile selezionare il processo appropriato. La base e il criterio per un processo produttivo di successo è sempre l'erogazione precisa e ripetibile del silicone. Tuttavia, il potenziale della stampa 3D in silicone è tutt'altro che esaurito. Soprattutto con l'uso di nuove tecnologie, come nuovi materiali di supporto (come gli idrogel), Antarctic Bear crede che siano ancora in arrivo nuovi progetti.