3D-печать силикона: руководство для новичков в передовом производстве

[Источник изображения: ACEO]

3D-печать силикона — новаторская, но исключительно универсальная технология, применимая в большинстве отраслей, включая здравоохранение, робототехнику и автомобилестроение.

Сегодня она используется в прототипировании и малом серийном производстве, позволяя компаниям производить более мелкие партии деталей быстрее и экономнее.

В этом руководстве мы исследуем, что движет спросом на 3D-печать силикона, ключевые технологии на рынке и приложения, которые больше всего выигрывают от силиконовой 3D-печати.

Взлет силиконовой 3D-печати

Силикон — материал, повсеместный, от текстиля до автомобильных деталей. Он выдерживает удивительные напряжения и температурные экстремумы, что делает его желаемым материалом во многих аспектах сборки авиации и космонавтики. Благодаря своей биосовместимости силиконы также широко используются в медицинских приложениях.

До недавнего времени производство силиконовых деталей осуществлялось преимущественно через литье в формы. Эта технология, однако, может быть очень дорогой из-за высокой стоимости форм, которая может далеко превышать 100 000 долларов, делая малосерийное производство неэкономичным.

Кроме того, если компания хочет изменить дизайн после производства первой партии деталей, ей придется переделывать форму, что дополнительно увеличивает затраты и сроки.

3D-печать, с другой стороны, более гибка, так как не требует оснастки, а стоимость процесса не зависит от объема. Сочетание 3D-печати и силикона, следовательно, имеет идеальный смысл, когда нужны небольшие объемы деталей.

Несмотря на выгоды, которые дает это сочетание, силиконовая 3D-печать была разработана только недавно, не в малую степень из-за природы материала.

Силикон имеет высокую вязкость, поэтому его часто трудно 3D-печатать так же, как другие полимеры. Кроме того, силикон обычно затвердевает при повышенных температурах, что часто создает сложности для полимерных 3D-принтеров.

Однако рынок силиконовой 3D-печати начал постепенно расширяться, подталкиваемый как растущим спросом, так и инновациями в технологиях силиконовой 3D-печати.

Технологии силиконовой 3D-печати

ACEO, подразделение немецкого химического гиганта Wacker Chemie AG, стала первой компанией, разработавшей технологию 3D-печати чистого силикона.

Первооткрытая в 2016 году, технология ACEO использует технику «капля по требованию», работающую аналогично струйным технологиям. Процесс начинается с оседания капель материала в форме одного слоя детали, который затем отверждается УФ-светом. Следующий слой силиконовых капель наносится, и УФ-свет связывает его с предыдущим. Процесс повторяется до завершения объекта.

Помимо того, что это первая технология 3D-печати, производящая детали из 100% силикона, процесс ACEO создает детали с изотропными (равномерными во всех направлениях) механическими свойствами, сопоставимыми с литьем в формы.

Кроме того, процесс ACEO также мультиматериален, что означает возможность производства деталей с разными цветами и разной степенью твердости.

В прошлом году ACEO еще больше улучшила свою технологию, запустив новый 3D-принтер ACEO Imagine Series K2, позволяющий 3D-печатать детали одновременно из четырех разных силиконовых материалов.

Как один из первых участников арены силиконовой 3D-печати, технология ACEO востребована в различных отраслях, включая промышленные товары, химическую, медицинскую и стоматологическую отрасли.

3D-принтер Henkel LOCTITE

Henkel — еще одна химическая компания, активная в области силиконовой 3D-печати. Компания запустила свой силиконовый 3D-принтер и два сопутствующих силиконовых материала под брендом Loctite в 2018 году.

3D-принтер основан на технологии цифровой световой обработки (DLP), при которой жидкий фотореактивный полимер отверждается под источником света. Помимо силиконовых смол, система может обрабатывать широкий спектр других материалов, разработанных как Henkel, так и другими производителями материалов. Это означает, что 3D-принтер — открытая материаловая платформа, обеспечивающая гораздо большую гибкость для пользователей технологии, поскольку они не ограничены только одним брендом материала.

Силиконовая 3D-печать Spectroplast

Помимо крупных компаний вроде Henkel и ACEO, несколько стартапов вошли на рынок силиконовой 3D-печати со своим видением технологии. Швейцарская компания Spectroplast — одна из таких компаний.

Spectroplast запустила свой бизнес по силиконовой 3D-печати в сентябре прошлого года, после лет исследований и разработки DLP-базированного 3D-принтера.

Метод DLP «дает гораздо более высокое разрешение и, следовательно, улучшенную шероховатость поверхности», заявляет Петар Стефанов, CTO Spectroplast, в интервью AMFG.

Процесс Spectroplast также считается «по крайней мере в 10 раз быстрее по сравнению с конвенциональными методами 3D-печати силикона».

По мере роста компания планирует запустить новое поколение силиконовых материалов, а также развить технологию до уровня, сравнимого со стандартами литья в формы.

Поддерживаемая недавним инвестированием 1,38 млн евро в сид-финансировании, Spectroplast хорошо продвигается к этим целям и в хорошей позиции, чтобы захватить долю растущего силиконового рынка.

Технология LAM German RepRap

Еще одна интересная технология силиконовой 3D-печати разработана German RepRap. Компания специализируется на экструзионных 3D-принтерах; однако ее технология силиконовой 3D-печати основана на принципиально ином подходе.

Технология жидкого аддитивного производства (LAM), как German RepRap назвала процесс, работает с ожидченными полимерами, включая силиконы, которые наносятся слой за слоем. Затем каждый слой вулканизируется и связывается с предыдущим под воздействием тепла.

Процесс вулканизации, как утверждается, делает LAM 3D-печатные детали с практически такими же свойствами, как литые в формы детали.

Процесс LAM был впервые представлен на Formnext 2018 вместе с первым производственным LAM 3D-принтером L280. Компания работала над дальнейшим развитием технологии для промышленного использования и в прошлом году запустила новый LAM 3D-принтер L320.

Также стоит отметить, что в прошлом месяце German RepRap была приобретена машиностроительной компанией Arburg, которая также производит 3D-принтеры. Будет интересно увидеть, как поглощение повлияет на дорожную карту LAM. Возможно, мы увидим Arburg разрабатывающим силиконовый 3D-принтер на базе LAM, или German RepRap продолжающим развивать LAM под своим брендом, теперь поддержанным крупной технологической группой.

В любом случае, маловероятно, что развитие LAM-технологии замедлится, учитывая растущий спрос на 3D-печатные силиконы и очень малое соревнование.

Приложения силиконовой 3D-печати

 

Здравоохранение

Благодаря свойствам материала, таким как нетоксичность, биосовместимость и устойчивость к УФ-свету и химикатам, силиконовая 3D-печать особенно подходит для приложений в сфере здравоохранения.

К ним относятся слуховые аппараты, маски, протезы, подкладки протезов, трахеальные стенты и сердечные клапаны, а также ортопедические стельки.

По сути, силиконовая 3D-печать позволяет стоимоэффективно кастомизировать эти устройства, что приводит к лучшей пригодности для пациентов.

В одном примере, разделенном Spectroplast, силиконовая 3D-печать была применена для производства индивидуальных грудных протезов для пациентов с раком груди.

В процедуре, известной как мастэктомия, «часть груди удаляется и большинство пациентов вынуждены выбирать внешний протез, по сути силиконовый объект, носимый в белье. Сегодня они представлены в нескольких стандартных размерах и даже меньшем числе стандартных форм и обычно не идеально соответствуют анатомии пациента», объясняет Петар Стефанов.

Используя сервис силиконовой 3D-печати Spectroplast, больницы теперь могут предлагать пациентам индивидуальные протезы, сохраняющие исходную симметрию.

В другом случае Loctite помог производителю респираторов произвести 100 силиконовых трубок для одного из своих продуктов вентиляции. Литье в формы не было выполнимо в этой ситуации, в значительной степени из-за ограничений дизайна — трубки были почти невозможны для изготовления из-за их очень малого полого ядра. Поэтому компания обратилась к 3D-печати, известной своей способностью создавать сложные особенности и детали с минимальными ограничениями.

В конечном счете, 100 прозрачных силиконовых трубок были 3D-напечатаны со скоростью 30 деталей в день и стоимостью $19 за деталь — значительно ниже $190 за деталь, заявленных для литья в формы. Помимо экономии, время выполнения также сократилось с четырех-шести недель для жесткой оснастки до всего нескольких рабочих дней.

Робототехника

В промышленной товарной отрасли силиконовая 3D-печать используется для прототипирования и производства мягкой робототехники. Мягкие роботы построены из высокогибких материалов, позволяя новые движения роботов, похожие на живые организмы, которые традиционные роботы не могут воспроизвести. Более того, мягкие роботы предлагают отличную адаптивность к окружению и безопасны рядом с людьми.

Немецкий стартап Formhand разработал универсальный захват для многозадачных приложений в отраслях с помощью силиконовой 3D-печати. Команда использовала сервис силиконовой 3D-печати ACEO для прототипирования нескольких дизайнов захвата. Благодаря технологии они смогли создавать кастомизированные компоненты быстро и с низкой стоимостью.

Другие приложения

Помимо упомянутых выше приложений, силиконовая 3D-печать подходит для производства чехлов для электронных компонентов, защищающих их от экстремального тепла, влаги, соли, коррозии и грязи.

Кроме того, технология может использоваться для производства уплотнений для химических и автомобильных приложений. В стоматологической отрасли ортодонты применяют силиконовую 3D-печать для создания стоматологических моделей, которые затем используются для создания различных стоматологических устройств, как коронки.

Будущее силиконовой 3D-печати

Очевидно, небо — предел для приложений силиконовой 3D-печати. Однако из-за новизны технологии ее уровень внедрения низок. Многие компании все еще не знают о возможностях технологии или остаются нерешительными в ее принятии из-за новизны.

Тем не менее, учитывая текущие инновации в этой сфере и приток новых компаний, силиконовая 3D-печать готовится стать жизнеспособной альтернативой другим силиконовым производственным технологиям. Спрос на 3D-печатные силиконовые детали есть — и растет — что предполагает, что будущее технологии будет как захватывающим, так и значимым.