Additív gyártás szilikonnal

Extrudáláson alapuló additív gyártási módszerek és eljárások

2023. február 02., csütörtök, 06:00

Címkék: 3D nyomtatás adagolás adagolástechnika adagolórendszer additív gyártás additív technológia ViscoTec

Az additív eljárásokkal gyártott alkatrészeket már egy ideje nem csupán prototípus-készítésre használják. A bennük rejlő nagy lehetőségeket a sorozatgyártás előtt és az alkatrészek gyártásában is hasznosítják.

A műszaki téren használt alkatrészek esetében döntő jelentőségűek az anyagtulajdonságok. Ezen a téren a 3D nyomtatott alkatrészek csak akkor vehetik fel a versenyt a hagyományos módon gyártottakkal, ha mechanikai és kémiai tulajdonságaik megegyeznek. A szilikont nagyon sok alkalmazáshoz teszik nélkülözhetetlenné az olyan tulajdonságok, mint a biokompatibilitás, a hőállóság és természetesen a nagyon nagy rugalmasság. Ezért növekszik az igény a szilikonhoz hasonló anyagok additív eljárásokkal történő előállítása iránt, ami azonban korántsem egyszerű.

A különböző megközelítések közül ez a cikk az extrudáláson alapuló módszereket és folyamatokat mutatja be. Különösen a különböző térhálósító mechanizmusokat vizsgáljuk meg részletesebben – azok előnyeivel és hátrányaival egyetemben.

Szilikon 3D nyomtatása: extrudáláson alapuló eljárások

Az extrudáláson alapuló eljárások döntő előnye a feldolgozható folyadékok és paszták széles választéka. Szinte minden típusú szilikon használható az alacsonytól a magas viszkozitásúig, az RTV-től (szobahőmérsékleten vulkanizálódó) a szabványos LSR-en át (folyékony szilikonkaucsuk) az UV-re keményedő és részecskékkel töltött szilikonokig.

Az extrudáláson alapuló gyártási folyamat nagyon hasonlít az FLM (szálhúzásos rétegmodellezés) nyomtatáshoz. Egy adagolófej segítségével leraknak egy szálat, amiből rétegről rétegre állítják elő a formát. Ebben a cikkben a kétkomponensű LSR-eket és az RTV szilikonokat vesszük górcső alá. Az LSR-ek hőenergiát igényelnek a térhálósodáshoz, míg az RTV szilikonokat arra tervezték, hogy szobahőmérsékleten reagáljanak.

1. ábra: Szilikon 3D nyomtatása: gyártási folyamat a hidrogélen belül

Térhálósító LSR

A szilikonnyomtatás mindig folyékony anyagot használ, döntő folyamatparaméternek számít tehát a szilikon térfogatstabilitása és térhálósodása. Fontos megjegyezni azt is, hogy a kész szilikon szilárdsága csak az anyag kémiai reakciójával, például poliaddícióval vagy polikondenzációval hozható létre. Az LSR szilikonok esetében alapvetően két különböző térhálósodási pontot különböztetnek meg: a gyártás során bekövetkező, valamint az utómunkálatok vagy az utófeldolgozás során történő térhálósodást.

Térhálósítás a gyártás során

• Fűtött építő tálca:

Az additív gyártógépek széles körben használnak fűtött építő tálcákat, ezért kézenfekvő, hogy a termikus térhálósító energiát ezeken a platformokon keresztül biztosítsuk. A szilikon reakcióidejétől függően az extrudálás után a fűtött építőplatformon néhány másodpercen belül megtörténhet a térhálósodás.

Ennek az eljárásnak azonban van egy komoly hátránya: a hőmérséklet-eloszlás az alkatrész magasságával változik. Ennek az az oka, hogy minél távolabb van a réteg az építő tálcától, annál kevesebb hőenergia jut oda. Ez azt jelenti, hogy egy többrétegű alkatrésznél nagyon nehéz megbízható és állandó folyamatot létrehozni. A tapasztalatok szerint nem célszerű fűtött építőplatformon két-három centiméternél nagyobb alkatrészeket gyártani.

• Az egyes rétegek keresztkötése:

Az adott alkatrészre – minden réteg után – felülről történő hőbevitel egyenletes térhálósítást tesz lehetővé tetszőleges számú réteg esetében. A hőt közvetlenül a nyomtatási folyamat alatt alkalmazzák, így az alkatrész a nyomtatás után azonnal rendelkezésre áll. Ehhez további hőforrásra, például infralámpára van szükség. Az intenzitást és az expozíciós időt az adott réteghez kell igazítani, ezért a teljes gyártási folyamat költségesebb és bonyolultabb lesz.

Térhálósítás az utófolyamatban

Egy másik megközelítés olyan szilikon alkalmazása, amely reológiai tulajdonságai miatt az extrudálás után is megtartja alakját. Ez a szilikon nagyon magas viszkozitásával, vagy magas tixotrópiájával, vagy a kettő kombinációjával érhető el. Az LSR szilikonból készült kész alkatrészt az utófeldolgozási szakaszban kemencébe helyezik, és megfelelő hőmérsékleten térhálósítják. A hőbevitel nem okozhat deformációt az alkatrészben. Ebben a folyamatban nincs szükség további berendezésekre a nyomtatás során a hőellátáshoz.

Támaszanyag

Meredek átfedésekhez vagy áthidaláshoz (kontúr lezárásához) tartószerkezetet kell építeni. Ennek a támaszanyagnak a gyártási folyamat során hozzá kell tapadnia a szilikonhoz, és a térhálósítás során ki kell bírnia a hőviszonyokat. Utána viszont könnyen eltávolíthatónak kell lennie a késztermékről. Minden egyes szilikonhoz kihívást jelent a megfelelő támaszanyag megtalálása, a tartószerkezet felépítése pedig további anyagokat és időt igényel a gyártási folyamat során.

2. ábra: Szilikonból készült DNS-szerkezet – hidrogélben 3D nyomtatott komponensként gyártva

Gyártás hidrogélen belül

De van egy folyamat, amely tartószerkezet felépítése nélkül is lehetővé teszi a tervezés szabadságát: a más anyagban történő gyártás. Ehhez a szilikont egy hosszú tűvel egy „hordozóanyaggal” töltött tartályba adagolják. Ez a hordozóanyag lehet például por vagy hidrogél. A folyamatot az alábbi ábra szemlélteti:

Az első lépésben a szilikont (lásd 1. ábra, narancssárga) egy hordozóanyagba adagolják (lásd 1. ábra, kék színben). Az extrudált szálat a környező anyag rögzíti. A kívánt szerkezet felépítése és a szilikon térhálósodása után az alkatrész csipesszel eltávolítható az anyagból. Végül a hordozóanyag maradványait távolítják el vagy egyszerűen lemossák.

Az RTV szilikonok különösen alkalmasak ehhez az eljáráshoz, mivel rövid idő (30-60 perc) után térhálósodnak. A hordozóanyag az alkatrész eltávolítása után újra felhasználható. Ennek a módszernek a legnagyobb előnye a nagy fokú tervezési szabadság, amit sem a túl meredek túlnyúlások, sem az áthidalások nem korlátoznak. Ennek szemléltetésére a 2. ábrán egy olyan alkatrész szerepel, amely mindkettővel rendelkezik.

Ezt az alkatrészt 0,3 mm-es tűvel nyomtatták. A csavarvonal közötti vékony kapcsolódásokat eddig nagyon nehéz volt más eljárásokkal létrehozni. Ennek a technológiának a hátránya a nagyobb alkatrészekhez szükséges nagy mennyiségű hordozóanyag, és hogy az LSR-ek használata általában nem praktikus.

Összefoglaló – szilikon 3D nyomtatása

Az extrudáláson alapuló gyártási eljárások nagy választéka miatt szinte minden alkatrész előállítható szilikonból. A kívánt geometriától és szilikontípustól függően határozható meg a megfelelő eljárás. A sikeres gyártási folyamat alapja mindig a szilikon precíz és megismételhető adagolása. A szilikon 3D nyomtatásában rejlő lehetőségek még korántsem merültek ki. Különösen az új eljárások, mint például a hordozóanyag (például hidrogél) alkalmazása nyitnak új lehetőségeket a tervezésben.

https://www.viscotec.de/en/3d-printing-of-standard-materials/