Silikoni 3D-tulostustekniikka

Nykyään lisäainevalmistusta ei voida käyttää vain prototyyppien valmistukseen, vaan sillä on suuri potentiaali myös esisarjan valmistuksessa ja sarjaosien valmistuksessa. 3D-tulostetuissa komponenteissa materiaalin ominaisuudet ovat kriittisiä.

Tällä alalla 3D-painetut osat voivat kilpailla perinteisesti valmistettujen osien kanssa vain, jos niillä on samat mekaaniset ja kemialliset ominaisuudet. Bioyhteensopivuus, lämmönkestävyys, korkea elastisuus ja muut vaatimukset tekevät silikonista välttämättömän monissa sovelluksissa. Siksi ihmiset odottavat innolla yhdistävänsä lisäainevalmistuksen edut materiaaleihin, kuten piin. Silikonin lisäainevalmistusprosessi ei kuitenkaan ole yksinkertainen. Tässä artikkelissa luetellaan erilaisia ​​ekstruusiopohjaisia ​​menetelmiä ja prosesseja, joissa esitetään yksityiskohtaisesti eri silloitusmekanismit ja niiden edut ja haitat.

Silikoni 3D-tulostus: suulakepuristuspohjainen prosessi

Ekstruusioprosessin ratkaiseva etu on käsiteltävissä olevien nesteiden ja tahnojen laaja valikoima, mukaan lukien lähes kaikentyyppiset polysiloksaanit: alhaisesta viskositeetista korkeaan viskositeettiin, RTV:stä (Room Temperature Vulcanization) standardiin LSR (Liquid Silicone Rubber) UV-säteilyyn. kovettuva ja hiukkasilla täytetty silikoni. Ekstruusiovalmistusprosessi on hyvin samanlainen kuin FLM-tulostus (Fused Layer Modeling), jossa materiaali puristetaan tulostuspään läpi ja kerrostetaan kerros kerrokselta. Kaksikomponenttiset LSR- ja RTV-silikoniprosessit kehitetään alla. LSR vaatii lämpöenergiaa silloittumiseen, kun taas RTV-silikoni voi reagoida huoneenlämpötilassa.

△Nestemäisten lisäaineiden valmistusprosessi (LAM) on vähän kuin FDM, joka on materiaalien suulakepuristustekniikka. Jokainen kerros suulakepuristetaan, mutta se eroaa menetelmistä, kuten FFF ja FDM, koska raaka-aineet eivät sula prosessissa. Päinvastoin, LAM-materiaali on nestettä, kun se kerrostetaan, ja neste vulkanoidaan lämpöaltistuksen avulla niin, että materiaali kovetetaan termisesti ja silloitetaan. Tämä prosessi mahdollistaa materiaalin mekaanisten ominaisuuksien säilyttämisen ja luo monia uusia sovelluksia. LAM 3D-tulostus voi tehdä komponenteista lähes samat ominaisuudet kuin ruiskupuristetuilla osilla, ja niillä on korkea käyttöarvo lääketieteellisissä, jalkineissa ja joustavissa materiaaleissa.

Ristisidottu LSR

Silikonipainatuksessa käytetään nestemäisiä materiaaleja. Siksi ratkaisevia prosessiparametreja ovat silikonin mittastabiilius ja silloitus. On myös tärkeää, että valmiin silikonin lujuus voidaan saavuttaa vain materiaalin kemiallisella reaktiolla, kuten additiopolymeroinnilla tai kondensaatiopolymeroinnilla. Pohjimmiltaan LSR-silikonilla on ero eri silloitusaikojen välillä: silloitus tuotannon aikana ja silloitus käsittelyn tai jälkikäsittelyn jälkeen.

Silloittaminen tuotantoprosessissa:

Lämmitysrakennusalusta: Lisäainevalmistuskoneen keittoalue voi tarjota lämpösilloitusenergiaa. Silikonin reaktioajasta riippuen silloitus voi tapahtua muutamassa sekunnissa sen jälkeen, kun se on ekstrudoitu kuumennetulla keittoalueella.

Tällä prosessilla on kuitenkin ratkaiseva haittapuoli: lämpötilan jakautuminen muuttuu komponentin korkeuden mukaan. Tämä johtuu siitä, että mitä kauempana kerros on rakennusalustasta, sitä vähemmän se tarjoaa lämpöä. Tämä tarkoittaa, että luotettavaa ja jatkuvaa prosessia monikerroksisille komponenteille on vaikea saavuttaa. Kokemus on osoittanut, että kuumapetijärjestelmää ei enää voida käyttää yli 2–3 cm:n kokoisten komponenttien valmistukseen.

Kerros kerrokselta silloitus: Lämpösyöttö jokaiseen komponenttiin ylhäältä voi saavuttaa minkä tahansa määrän kerrosten tasaisen ristisilloituksen. Se kuumennetaan suoraan tulostuksen aikana, joten komponentteja voidaan käyttää heti tulostuksen jälkeen. Tämä menetelmä vaatii lisälämmönlähteen, kuten infrapunalampun. Lisäksi intensiteetti ja valotusaika on sovitettava vastaavaan kerrokseen, mikä tekee koko valmistusprosessista kalliimman ja monimutkaisemman.

Silloittaminen jälkihoidossa:

Toinen tapa on käyttää materiaalin reologisia ominaisuuksia ja käyttää silikonia, joka voi säilyttää muotonsa suulakepuristuksen jälkeen. Tämä voidaan saavuttaa silikonin korkealla viskositeetilla tai korkealla tiksotropialla tai molempien yhdistelmällä. Valmiit LSR-silikonista valmistetut osat laitetaan uuniin jälkikäsittelyvaiheessa ja silloitetaan sopivassa lämpötilassa. Samaan aikaan lämmöntuotto ei saa aiheuttaa osien muodonmuutoksia. Tässä prosessissa ei tarvitse käyttää lisälaitteita lämmön tuottamiseen tulostusprosessin aikana.

Tukimateriaali

Ulkonevia tai siltarakenteita (suljettu profiili) varten on rakennettava tukirakenteet valmistusta varten. Tämän tukimateriaalin tulee tarttua silikoniin valmistusprosessin aikana ja kestää lämpöolosuhteet silloitusprosessin aikana. Sen jälkeen se on irrotettava helposti valmiista osasta. Jokaiselle silikonityypille sopivan tukimateriaalin löytäminen on kuitenkin haasteellista, ja tukirakenteen rakentaminen vaatii lisämateriaalien käyttöä ja aikaa valmistusprosessissa.

RTV: valmistettu hydrogeelistä

Mutta on olemassa prosessi, joka mahdollistaa suunnitteluvapauden ilman tukirakenteita: valmistus eri materiaaleista. Tätä tarkoitusta varten voidaan käyttää pitkää neulaa ekstrudoimaan silikonihartsi säiliöön, joka sisältää"tukimateriaalin". Tämä tukimateriaali voi olla esimerkiksi jauhetta tai hydrogeeliä. Prosessi näkyy kuvassa:

△Silikoni 3D-tulostus: valmistusprosessi hydrogeelin sisällä

Ensimmäisessä vaiheessa silikageeli (oranssi) ekstrudoidaan kantajamateriaaliin (sininen), ja suulakepuristetut säikeet kiinnitetään ympäröivällä materiaalilla. Kun haluttu rakenne on muodostettu ja silikoni on silloitettu, voidaan komponentti poistaa materiaalista pinseteillä. Lopuksi poista tai yksinkertaisesti pese pois tukimateriaalin jäämät. RTV-silikonit ovat erityisen sopivia tähän prosessiin, koska ne silloittavat lyhyessä ajassa (30-60 minuuttia). Komponenttien poistamisen jälkeen tukimateriaalia voidaan käyttää uudelleen.

△Piihappogeelistä valmistettu DNA-rakenne, valmistettu 3D-painettuna komponenttina hydrogeelissä.

Tämän menetelmän suurin etu on suuri suunnitteluvapaus. Sitä eivät rajoita jyrkät ulkonemat eivätkä sillat. Esimerkiksi kuvan DNA:n kaksoiskierrerakenne on painettu 0,3 mm neulalla. Toistaiseksi spiraalien välistä hienoa liitosta on vaikea saada valmiiksi muilla prosesseilla. Tämän tekniikan haittapuolena on kuitenkin se, että suurempien komponenttien valmistukseen tarvitaan suuri määrä tukimateriaalia, ja tällä menetelmällä LSR-materiaaleja on yleensä mahdotonta valmistaa.

Yhteenveto-Silikoni 3D-tulostus

Monien ekstruusiopohjaisten valmistusprosessien ansiosta lähes kaikki komponentit voidaan valmistaa silikageelillä. Tarvittavasta geometriasta ja silikonityypistä riippuen voidaan valita sopiva prosessi. Menestyneen valmistusprosessin perusta ja kriteeri on aina silikonin tarkka ja toistettava annostelu. Silikonin 3D-tulostuksen potentiaali ei kuitenkaan ole läheskään käytetty. Etenkin uusien teknologioiden, kuten uusien tukimateriaalien (kuten hydrogeelien) käytön myötä Antarktis Bear uskoo, että uusia malleja on vielä tulossa.