Silicone 3D-printen uitgelegd: Een beginnersgids voor cutting-edge productie

[Afbeeldingscredit: ACEO]

Silicone 3D-printen is een nieuwe, maar extrem veelzijdige technologie die in de meeste industrieën toegepast kan worden, waaronder gezondheidszorg, robotica en automotive.

Vandaag wordt het gebruikt in prototyping en lage-volume productie, wat bedrijven in staat stelt om kleinere batches onderdelen sneller en economischer te produceren.

In deze gids verkennen we wat de vraag naar silicone 3D-printen drijft, beschikbare sleuteltechnologieën op de markt en toepassingen die het meest profiteren van silicone 3D-printen.

De opkomst van silicone 3D-printen

Silicone is een materiaal dat vrijwel universeel voorkomt, van textiel tot auto-onderdelen. Het kan verbazingwekkende spanning en temperatuurextremen weerstaan, wat het een gewenst materiaal maakt in veel aspecten van vliegtuig- en ruimtevaartmontage. Dankzij de biocompatibiliteit zijn silicones ook wijdverspreid in gezondheidszorgtoepassingen.

Tot voor kort is de productie van silicone-onderdelen primair gedaan via spuitgieten. Deze technologie kan echter erg duur zijn vanwege hoge vormkosten, die goed boven de $100.000 kunnen uitkomen, wat lage-volume productie kostprohibitief maakt.

Bovendien, als een bedrijf het ontwerp wil wijzigen na de productie van de eerste run onderdelen, moet het de vorm herhalen, wat de kosten en levertijd verder verhoogt.

3D-printen is daarentegen flexibeler, omdat het geen tooling vereist en de kosten van het proces niet gedreven worden door volume. Het combineren van 3D-printen en silicone maakt dus perfecte zin wanneer lage volumes onderdelen nodig zijn.

Ondanks de voordelen die deze combinatie biedt, is silicone 3D-printen pas recent ontwikkeld, niet te minst vanwege de aard van het materiaal.

Silicone heeft een hoge viscositeit, wat het vaak moeilijk maakt om het materiaal op dezelfde manier te 3D-printen als andere polymeren. Bovendien solidificeert silicone meestal bij verhoogde temperaturen, wat vaak uitdagend is voor polymere 3D-printers om te bereiken.

Echter, de markt voor silicone 3D-printen heeft zich geleidelijk begonnen uit te breiden, gedreven door zowel de groeiende vraag als innovatie in silicone 3D-printtechnologieën.

Silicone 3D-printtechnologieën

ACEO, een divisie van de Duitse chemische reus Wacker Chemie AG, is het eerste bedrijf dat een technologie voor 3D-printen van zuiver silicone heeft ontwikkeld.

Eerst onthuld in 2016, gebruikt ACEO's technologie een 'drop-on-demand' techniek die op een vergelijkbare manier werkt als inkjet-technologieën. Het proces begint met het depositeren van druppels van het materiaal in de vorm van een enkele onderdellaag, wat vervolgens gehard wordt met UV-licht. De volgende laag silicone-druppels wordt vervolgens aangebracht, en het UV-licht bindt het aan de vorige. Het proces wordt herhaald tot het object compleet is.

Naast het zijn van de eerste 3D-printtechnologie om 100 procent silicone-onderdelen te produceren, creëert ACEO's proces onderdelen met isotrope (uniforme in alle richtingen) mechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met spuitgieten.

Bovendien is ACEO's proces ook multi-materiaal, wat betekent dat het mogelijk is om onderdelen te produceren met verschillende kleuren en variërende hardheidsgraden.

Vorig jaar verbeterde ACEO zijn technologie nog verder door het lanceren van een nieuwe ACEO Imagine Series K2 3D-printer, die onderdelen in staat stelt om 3D-geprint te worden met maximaal vier verschillende silicone-materialen simultaan.

Als een van de eerste deelnemers aan een silicone 3D-printarena, is ACEO's technologie in vraag in een verscheidenheid aan industrieën, waaronder industriële goederen, chemische, medische en tandheelkundige industrieën.

Henkel's LOCTITE 3D-printer

Henkel is een ander chemisch bedrijf actief op het gebied van silicone 3D-printen. Het bedrijf lanceerde zijn silicone 3D-printer en twee bijbehorende silicone-materialen onder het Loctite-merkt in 2018.

De 3D-printer is gebaseerd op Digital Light Processing (DLP) technologie, waarbij een vloeibare fotopolymerhars onder een lichtbron gehard wordt. Naast silicone-harsen kan het systeem een breed scala aan andere materialen verwerken, ontwikkeld door zowel Henkel als andere materiaalfabrikanten. Dit betekent dat de 3D-printer een open materiaalplatform is, wat veel grotere flexibiliteit biedt voor technologiegebruikers, aangezien ze niet beperkt zijn tot slechts één materiamerk.

Spectroplast's silicone 3D-printservice

Naast grote bedrijven als Henkel en ACEO, zijn een paar start-ups de silicone 3D-printmarkt binnengekomen met hun eigen invalshoek op de technologie. Zweeds bedrijf, Spectroplast, is zo'n bedrijf.

Spectroplast lanceerde zijn silicone 3D-printbusiness in september vorig jaar, na jarenlang onderzoek en ontwikkeling van een DLP-gebaseerde 3D-printer.

De DLP-methode 'levert een veel hogere resolutie en daardoor verbeterde oppervlakteafwerking', stelt Petar Stefanov, CTO bij Spectroplast, in een interview met AMFG.

Spectroplast's proces wordt ook gezegd 'minstens 10 keer [sneller] vergeleken met conventionele 3D-printmethoden voor silicone'.

Naarmate het bedrijf groeit, plant het een nieuwe generatie silicone-materialen te lanceren, evenals de technologie te ontwikkelen tot een niveau vergelijkbaar met spuitgietstandaarden.

Gesteund door een recente investering van €1,38 miljoen in seed-financiering, is Spectroplast goed op weg met deze doelen en in een goede positie om een deel te claimen van de groeiende silicone-mark.

German RepRap's LAM-technologie

Een andere interessante silicone 3D-printtechnologie is ontwikkeld door German RepRap. Het bedrijf gespecialiseerd in extrusie-gebaseerde 3D-printers; echter, zijn silicone 3D-printtechnologie is gebaseerd op een volledig andere benadering.

Liquid Additive Manufacturing (LAM) technologie, zoals German RepRap het proces noemt, werkt met vloeibare polymeren, inclusief silicones die laag-voor-laag gedeponeerd worden. Vervolgens wordt elke laag gevulkaniseerd en samengebonden met een vorige onder hitteblootstelling.

Het vulkanisatieproces wordt gezegd LAM 3D-geprinte onderdelen te maken met bijna dezelfde eigenschappen als gespuitgijten onderdelen.

Het LAM-proces werd voor het eerst onthuld op Formnext 2018, samen met de eerste productie-klaar LAM 3D-printer, de L280. Het bedrijf heeft gewerkt om de technologie verder te ontwikkelen voor industrieel gebruik en lanceerde vorig jaar een nieuwe L320 LAM 3D-printer.

Wat ook de moeite waard is om te vermelden is dat vorige maand German RepRap overgenomen werd door machinefabrikant Arburg, die ook 3D-printers bouwt. Het zal interessant zijn te zien hoe de overname de LAM-technologieroadmap zal beïnvloeden. Misschien zien we Arburg een silicone 3D-printer ontwikkelen gebaseerd op LAM, of German RepRap LAM-technologie blijven ontwikkelen onder zijn merk, nu ondersteund door een grote technologiegroep.

In elk geval is het onwaarschijnlijk dat de LAM-technologieontwikkeling zal afvlagen, gegeven de groeiende vraag naar 3D-geprinte silicones en heel weinig concurrentie.

Silicone 3D-printtoepassingen

Gezondheidszorg

Dankzij de materiaaleigenschappen, zoals non-toxiciteit, biocompatibiliteit en weerstand tegen UV-licht en chemicaliën, is silicone 3D-printen met name geschikt voor toepassingen in de gezondheidszorgindustrie.

Deze omvatten hoortoestellen, maskers, prothesen, prothese-liners, trachaeale stents en hartkleppen, alsook orthopedische zolen.

Essenieel stelt silicone 3D-printen deze apparaten in staat om kosteneffectief gecustomiseerd te worden, wat resulteert in een betere pasvorm voor patiënten.

In een voorbeeld, gedeeld door Spectroplast, is silicone 3D-printen toegepast om gecustomiseerde borstprothesen te produceren voor borstkankerpatiënten.

In een procedure, bekend als een mastectomie, 'wordt een deel van de borst verwijderd en hebben de meeste patiënten behoefte aan een externe prothese, essentieel een silicone-object dat in een bh gedragen wordt. Vandaag komen deze in een paar gestandaardiseerde maten en nog minder gestandaardiseerde vormen en passen meestal niet perfect op de anatomie van de patiënt', legt Petar Stefanov uit.

Met behulp van Spectroplast silicone 3D-printservice, kunnen ziekenhuizen nu patiënten maatwerkprothesen aanbieden die ook de oorspronkelijke symmetrie behouden.

In een ander geval, heeft Loctite een fabrikant van respirators geholpen om 100 silicone buizen te produceren voor een van hun ventilatieproducten. Spuitgieten was niet haalbaar in deze situatie, grotendeels vanwege de ontwerpbeperkingen - de buizen waren bijna onmogelijk te fabriceren, vanwege hun zeer kleine holle kern. Daarom keerde het bedrijf naar 3D-printen, wat bekend is om zijn vermogen om complexe kenmerken en details met weinig beperkingen te creëren.

Uiteindelijk werden de 100 transparante silicone buizen 3D-geprint met een snelheid van 30 onderdelen per dag, en tegen een kostprijs van $19 per onderdeel - aanzienlijk lager dan $190 per onderdeel geciteerd voor spuitgieten. Naast besparingen werd de levertijd ook gereduceerd van vier tot zes weken voor hard tooling, tot slechts een paar werkdagen.

Robotica

In de industriële goederenindustrie wordt silicone 3D-printen gebruikt om zachte robotica te prototypen en te fabriceren. Zachte robots zijn geconstrueerd uit hoogflexibele materialen, wat nieuwe robotbewegingen mogelijk maakt die vergelijkbaar zijn met levende organismen die traditionele robots niet kunnen repliceren. Wat meer is, zachte robots bieden uitstekende adaptiviteit aan hun omgeving en zijn veiliger om mensen heen.

Duitse start-up, Formhand, heeft een universele gripper ontwikkeld voor multi-purpose toepassingen over industrieën, met de hulp van silicone 3D-printen. Het team gebruikte ACEO's silicone 3D-printservice om verschillende gripper-ontwerpen te prototypen. Dankzij de technologie, waren ze in staat om gecustomiseerde componenten snel en tegen lage kosten te creëren.

Overige toepassingen

Naast de bovenvermelde toepassingen, is silicone 3D-printen geschikt voor het produceren van afdekkingen voor elektronische componenten, om ze te beschermen tegen extreme hitte, vocht, zout, corrosie en vuil.

Bovendien kan de technologie gebruikt worden om afdichtingen te fabriceren voor chemische en automotive-toepassingen. In de tandheelkundige industrie passen orthodontisten silicone 3D-printen toe bij het creëren van tandmodellen, die vervolgens gebruikt worden om verschillende tandheelkundige apparaten te creëren, zoals kronen.

De toekomst van silicone 3D-printen

Duidelijk is dat de lucht de grens is voor silicone 3D-printtoepassingen. Echter, vanwege de naarheid van de technologie, is de adoptiegraad laag. Veel bedrijven zijn zich nog niet bewust van de mogelijkheden van de technologie of blijven aarzelend om het te adoptieven vanwege de nieuwheid.

Dat gezegd hebbende, gegeven de lopende innovatie in deze ruimte en de instroom van nieuwe bedrijven, is silicone 3D-printen ingesteld om een haalbare alternatief te worden voor andere silicone-fabricagetechnologieën. De vraag naar 3D-geprinte silicone-onderdelen is er - en groeiend - wat suggereert dat de toekomst van de technologie zowel opwindend als impactvol zal zijn.