Tecnologia d'impressió 3D de silicona

Avui dia, la fabricació additiva no només es pot utilitzar per a la creació de prototips, sinó que també té un gran potencial en la fabricació de pre-sèrie i la fabricació de peces en sèrie. Per als components impresos en 3D, les propietats del material són crítiques.

En aquest camp, les peces impreses en 3D només poden competir amb peces fabricades tradicionalment si tenen les mateixes propietats mecàniques i químiques. La biocompatibilitat, la resistència a la calor, l'alta elasticitat i altres requisits fan que la silicona sigui indispensable en moltes aplicacions. Per tant, la gent espera combinar els avantatges de la fabricació additiva amb materials com el silici. Tanmateix, el procés de fabricació additiva de silicona no és senzill. Aquest article enumera diversos mètodes i processos basats en l'extrusió, mostrant amb detall els diferents mecanismes de reticulació i els seus respectius avantatges i desavantatges.

Impressió 3D de silicona: un procés basat en extrusió

Un avantatge decisiu del procés d'extrusió és la gran varietat de líquids i pastes que es poden processar, incloent gairebé tots els tipus de polisiloxans: des de baixa viscositat fins a alta viscositat, des de RTV (vulcanització a temperatura ambient) fins a LSR (Líquid Silicone Rubber) UV estàndard. silicona curable i plena de partícules. El procés de fabricació per extrusió és molt similar a la impressió FLM (Fused Layer Modeling), on el material s'extrudeix a través del capçal d'impressió i es diposita capa per capa. A continuació es desenvoluparà el procés de silicona LSR i RTV de dos components. LSR requereix energia tèrmica per a la reticulació, mentre que la silicona RTV pot reaccionar a temperatura ambient.

△El procés de fabricació additiva líquida (LAM) és una mica com el FDM, que és una tecnologia d'extrusió de material. Cada capa s'extrudeix, però és diferent dels mètodes com FFF i FDM perquè les matèries primeres no es fonen en el procés. Per contra, el material LAM és un líquid quan es diposita, i el líquid es vulcanitza per exposició a la calor de manera que el material es cura tèrmicament i es reticula. Aquest procés permet que el material mantingui les seves propietats mecàniques i crea moltes aplicacions noves. La impressió 3D LAM pot fer que els components tinguin gairebé les mateixes característiques que les peces modelades per injecció i té un alt valor d'aplicació en materials mèdics, de calçat i flexibles.

LSR reticulat

La impressió de silicona implica materials líquids. Per tant, els paràmetres decisius del procés són l'estabilitat dimensional i la reticulació de la silicona. També és important que la resistència de la silicona acabada només es pugui aconseguir mitjançant la reacció química del material, com per exemple mitjançant la polimerització per addició o la polimerització per condensació. Bàsicament, la silicona LSR té una diferència entre diferents temps de reticulació: reticulació durant la producció i reticulació després del processament o post-processament.

Reticulació en el procés de producció:

Plataforma de construcció de calefacció: el foc de la màquina de fabricació additiva pot proporcionar energia de reticulació tèrmica. Depenent del temps de reacció de la silicona, la reticulació es pot produir en pocs segons després de ser extruïda en un llit calent.

Tanmateix, aquest procés té un inconvenient decisiu: la distribució de la temperatura canvia amb l'alçada del component. Això és degut a que com més lluny està la capa de la plataforma de construcció, menys calor proporciona. Això significa que és difícil aconseguir un procés fiable i constant per a components multicapa. L'experiència ha demostrat que ja no és factible utilitzar un sistema de llit calent per fabricar components de més de 2 a 3 cm.

Reticulació capa per capa: l'entrada de calor a cada component des de dalt pot aconseguir una reticulació uniforme de qualsevol nombre de capes. S'escalfa directament durant la impressió, de manera que els components es poden utilitzar immediatament després de la impressió. Aquest mètode requereix una font de calor addicional, com ara una làmpada d'infrarojos. A més, la intensitat i el temps d'exposició s'han d'adaptar a la capa corresponent, la qual cosa fa que tot el procés de fabricació sigui més car i complicat.

Encreuament en el posttractament:

Un altre mètode és utilitzar les propietats reològiques del material i utilitzar silicona que pugui conservar la seva forma després de l'extrusió. Això es pot aconseguir mitjançant l'alta viscositat o l'alta tixotropia de la silicona o una combinació d'ambdues. Les peces acabades de silicona LSR es col·loquen en un forn en fase de postprocessament i es reticulen a una temperatura adequada. Al mateix temps, l'entrada de calor no ha de provocar cap deformació de les peces. En aquest procés, no cal utilitzar equips addicionals per proporcionar calor durant el procés d'impressió.

Material de suport

Per a estructures en volada o pont (perfil tancat), s'han de construir estructures de suport per a la fabricació. Aquest material de suport s'ha d'adherir a la silicona durant el procés de fabricació i suportar les condicions tèrmiques durant el procés de reticulació. Després d'això, s'ha de treure fàcilment de la part acabada. No obstant això, trobar un material de suport adequat per a cada tipus de silicona és un repte, i la construcció de l'estructura de suport requereix l'ús de materials i temps addicionals en el procés de fabricació.

RTV: fabricat en hidrogel

Però hi ha un procés que permet la llibertat de disseny sense l'ús d'estructures de suport: la fabricació en diferents materials. Amb aquesta finalitat, es pot utilitzar una agulla llarga per extruir la resina de silicona en un recipient que conté un"material de suport ". Aquest material de suport pot ser, per exemple, pols o hidrogel. El procés es mostra a la figura:

△Impressió 3D de silicona: el procés de fabricació dins de l'hidrogel

En el primer pas, el gel de sílice (taronja) s'extrudeix al material de suport (blau) i els fils extruïts es fixen pel material circumdant. Després de formar l'estructura desitjada i la silicona reticulada, el component es pot treure del material amb unes pinces. Finalment, eliminar o simplement rentar els residus del material de suport. Les silicones RTV són especialment adequades per a aquest procés perquè es reticulen en un curt període de temps (30 a 60 minuts). Després de retirar els components, el material de suport es pot tornar a utilitzar.

△Estructura d'ADN feta de gel de sílice, fabricada com a component imprès en 3D en un hidrogel.

El major avantatge d'aquest mètode és l'alt grau de llibertat de disseny. No està restringit per voladissos pronunciats ni restringit per ponts. Per exemple, l'estructura de doble hèlix d'ADN de la imatge s'imprimeix amb una agulla de 0,3 mm. Fins ara, és difícil completar la connexió fina entre les espirals mitjançant altres processos. No obstant això, el desavantatge d'aquesta tecnologia és que es requereix una gran quantitat de material de suport per fabricar components més grans, i normalment és impossible fabricar materials LSR mitjançant aquest procés.

Resum-Impressió 3D de silicona

A causa de la gran varietat de processos de fabricació basats en extrusió, gairebé tots els components es poden produir amb gel de sílice. Segons la geometria requerida i el tipus de silicona, es pot seleccionar el procés adequat. La base i el criteri per a un procés de fabricació reeixit és sempre la dispensació precisa i repetible de silicona. Tanmateix, el potencial de la impressió 3D de silicona està lluny d'esgotar-se. Especialment amb l'ús de noves tecnologies, com ara nous materials de suport (com els hidrogels), Antarctic Bear creu que encara hi ha més dissenys nous en camí.