Τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης σιλικόνης

Σήμερα, η κατασκευή πρόσθετων δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για τη δημιουργία πρωτοτύπων, αλλά έχει επίσης μεγάλες δυνατότητες στην προ-σειρά κατασκευή και την κατασκευή σειριακών ανταλλακτικών. Για εξαρτήματα που εκτυπώνονται 3D, οι ιδιότητες του υλικού είναι κρίσιμες.

Σε αυτόν τον τομέα, τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα μέρη μπορούν να ανταγωνιστούν τα παραδοσιακά κατασκευασμένα μέρη μόνο εάν έχουν τις ίδιες μηχανικές και χημικές ιδιότητες. Η βιοσυμβατότητα, η αντοχή στη θερμότητα, η υψηλή ελαστικότητα και άλλες απαιτήσεις καθιστούν τη σιλικόνη απαραίτητη σε πολλές εφαρμογές. Ως εκ τούτου, οι άνθρωποι ανυπομονούν να συνδυάσουν τα πλεονεκτήματα της κατασκευής προσθέτων με υλικά όπως το πυρίτιο. Ωστόσο, η διαδικασία παραγωγής πρόσθετων σιλικόνης δεν είναι απλή. Αυτό το άρθρο παραθέτει διάφορες μεθόδους και διαδικασίες που βασίζονται στην εξώθηση, παρουσιάζοντας λεπτομερώς τους διαφορετικούς μηχανισμούς διασύνδεσης και τα αντίστοιχα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα τους.

Τρισδιάστατη εκτύπωση σιλικόνης: μια διαδικασία που βασίζεται στην εξώθηση

Ένα αποφασιστικό πλεονέκτημα της διαδικασίας εξώθησης είναι η μεγάλη ποικιλία υγρών και πάστες που μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία, συμπεριλαμβανομένων σχεδόν όλων των τύπων πολυσιλοξανών: από χαμηλό ιξώδες έως υψηλό ιξώδες, από RTV (Βουλκανισμός θερμοκρασίας δωματίου) έως τυπικό LSR (Liquid Silicone Rubber) UV σκληρυνόμενη και γεμάτη σωματίδια σιλικόνη. Η διαδικασία κατασκευής με εξώθηση είναι πολύ παρόμοια με την εκτύπωση FLM (Fused Layer Modeling), όπου το υλικό εξωθείται μέσω της κεφαλής εκτύπωσης και εναποτίθεται στρώμα προς στρώμα. Οι διεργασίες LSR και RTV σιλικόνης δύο συστατικών θα αναπτυχθούν παρακάτω. Το LSR απαιτεί θερμική ενέργεια για διασύνδεση, ενώ η σιλικόνη RTV μπορεί να αντιδράσει σε θερμοκρασία δωματίου.

△Η διαδικασία κατασκευής υγρών προσθέτων (LAM) μοιάζει λίγο με το FDM, η οποία είναι μια τεχνολογία εξώθησης υλικού. Κάθε στρώμα εξωθείται, αλλά διαφέρει από μεθόδους όπως FFF και FDM, επειδή οι πρώτες ύλες δεν θα λιώσουν στη διαδικασία. Αντίθετα, το υλικό LAM είναι υγρό όταν εναποτίθεται και το υγρό βουλκανίζεται με έκθεση σε θερμότητα, έτσι ώστε το υλικό να σκληρυνθεί θερμικά και να διασταυρωθεί. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει στο υλικό να διατηρήσει τις μηχανικές του ιδιότητες και δημιουργεί πολλές νέες εφαρμογές. Η τρισδιάστατη εκτύπωση LAM μπορεί να κάνει τα εξαρτήματα να έχουν σχεδόν τα ίδια χαρακτηριστικά με τα εξαρτήματα με χύτευση με έγχυση και να έχει υψηλή αξία εφαρμογής σε ιατρικά, υποδήματα και εύκαμπτα υλικά.

Διασυνδεδεμένο LSR

Η εκτύπωση σιλικόνης περιλαμβάνει υγρά υλικά. Ως εκ τούτου, οι καθοριστικές παράμετροι της διαδικασίας είναι η σταθερότητα των διαστάσεων και η σταυροσύνδεση της σιλικόνης. Είναι επίσης σημαντικό ότι η αντοχή της τελικής σιλικόνης μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω της χημικής αντίδρασης του υλικού, όπως μέσω πολυμερισμού προσθήκης ή πολυμερισμού συμπύκνωσης. Βασικά, η σιλικόνη LSR έχει μια διαφορά μεταξύ διαφορετικών χρόνων διασύνδεσης: σταυροσύνδεση κατά την παραγωγή και σταυροσύνδεση μετά την επεξεργασία ή μετά την επεξεργασία.

Διασύνδεση στη διαδικασία παραγωγής:

Πλατφόρμα κατασκευής θέρμανσης: Η εστία στο μηχάνημα κατασκευής προσθέτων μπορεί να παρέχει θερμική ενέργεια διασταύρωσης. Ανάλογα με το χρόνο αντίδρασης της σιλικόνης, η διασύνδεση μπορεί να συμβεί μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα μετά την εξώθηση σε θερμαινόμενη εστία.

Ωστόσο, αυτή η διαδικασία έχει ένα αποφασιστικό μειονέκτημα: η κατανομή της θερμοκρασίας αλλάζει ανάλογα με το ύψος του εξαρτήματος. Αυτό συμβαίνει επειδή όσο πιο μακριά είναι το στρώμα από την πλατφόρμα κατασκευής, τόσο λιγότερη θερμότητα παρέχει. Αυτό σημαίνει ότι είναι δύσκολο να επιτευχθεί μια αξιόπιστη και σταθερή διαδικασία για εξαρτήματα πολλαπλών στρώσεων. Η εμπειρία έχει δείξει ότι δεν είναι πλέον εφικτή η χρήση συστήματος ζεστού κρεβατιού για την κατασκευή εξαρτημάτων μεγαλύτερα από 2 έως 3 cm.

Διασταυρούμενη σύνδεση στρώμα-στρώμα: Η εισαγωγή θερμότητας σε κάθε στοιχείο από πάνω μπορεί να επιτύχει ομοιόμορφη διασύνδεση οποιουδήποτε αριθμού στρωμάτων. Θερμαίνεται απευθείας κατά την εκτύπωση, ώστε τα εξαρτήματα να μπορούν να χρησιμοποιηθούν αμέσως μετά την εκτύπωση. Αυτή η μέθοδος απαιτεί μια πρόσθετη πηγή θερμότητας, όπως μια λάμπα υπερύθρων. Επιπλέον, η ένταση και ο χρόνος έκθεσης πρέπει να προσαρμόζονται στο αντίστοιχο στρώμα, γεγονός που καθιστά την όλη διαδικασία κατασκευής πιο δαπανηρή και περίπλοκη.

Διασύνδεση μετά τη θεραπεία:

Μια άλλη μέθοδος είναι η χρήση των ρεολογικών ιδιοτήτων του υλικού και η χρήση σιλικόνης που μπορεί να διατηρήσει το σχήμα της μετά την εξώθηση. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με το υψηλό ιξώδες ή υψηλή θιξοτροπία της σιλικόνης ή συνδυασμό και των δύο. Τα τελικά εξαρτήματα από σιλικόνη LSR τοποθετούνται σε φούρνο στο στάδιο της μετα-επεξεργασίας και διασυνδέονται σε κατάλληλη θερμοκρασία. Ταυτόχρονα, η εισροή θερμότητας δεν πρέπει να προκαλεί παραμόρφωση των εξαρτημάτων. Σε αυτή τη διαδικασία, δεν χρειάζεται να χρησιμοποιήσετε πρόσθετο εξοπλισμό για την παροχή θερμότητας κατά τη διαδικασία εκτύπωσης.

Υλικό υποστήριξης

Για δομές προεξοχής ή γεφύρωσης (κλειστού προφίλ), οι δομές στήριξης πρέπει να κατασκευάζονται για την κατασκευή. Αυτό το υλικό στήριξης θα πρέπει να προσκολλάται στη σιλικόνη κατά τη διαδικασία κατασκευής και να αντέχει στις θερμικές συνθήκες κατά τη διαδικασία διασταύρωσης. Μετά από αυτό, πρέπει να αφαιρεθεί εύκολα από το τελειωμένο μέρος. Ωστόσο, η εύρεση κατάλληλου υλικού στήριξης για κάθε τύπο σιλικόνης είναι μια πρόκληση και η κατασκευή της δομής στήριξης απαιτεί τη χρήση πρόσθετων υλικών και χρόνου στη διαδικασία κατασκευής.

RTV: κατασκευασμένο σε υδρογέλη

Υπάρχει όμως μια διαδικασία που επιτρέπει τη σχεδιαστική ελευθερία χωρίς τη χρήση υποστηρικτικών δομών: κατασκευή από διαφορετικά υλικά. Για το σκοπό αυτό, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια μακριά βελόνα για την εξώθηση της ρητίνης σιλικόνης σε ένα δοχείο που περιέχει ένα"υλικό υποστήριξης". Αυτό το υλικό υποστήριξης μπορεί να είναι, για παράδειγμα, σκόνη ή υδρογέλη. Η διαδικασία φαίνεται στο σχήμα:

△ Εκτύπωση σιλικόνης 3D: η διαδικασία κατασκευής μέσα στην υδρογέλη

Στο πρώτο βήμα, η γέλη πυριτίου (πορτοκαλί) εξωθείται στο υλικό στήριξης (μπλε), και οι εξωθημένοι κλώνοι στερεώνονται από το περιβάλλον υλικό. Αφού σχηματιστεί η επιθυμητή δομή και διασταυρωθεί η σιλικόνη, το εξάρτημα μπορεί να αφαιρεθεί από το υλικό με τσιμπιδάκια. Τέλος, αφαιρέστε ή απλώς ξεπλύνετε τα υπολείμματα του υλικού στήριξης. Οι σιλικόνες RTV είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για αυτή τη διαδικασία επειδή συνδέονται σταυροειδών δεσμών σε σύντομο χρονικό διάστημα (30 έως 60 λεπτά). Μετά την αφαίρεση των εξαρτημάτων, το υλικό στήριξης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ξανά.

△Δομή DNA από σιλικαζέλ, κατασκευασμένη ως τρισδιάστατο εκτυπωμένο συστατικό σε υδρογέλη.

Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ο υψηλός βαθμός σχεδιαστικής ελευθερίας. Δεν περιορίζεται ούτε από απότομες προεξοχές ούτε από γέφυρες. Για παράδειγμα, η δομή διπλής έλικας DNA στην εικόνα τυπώνεται με βελόνα 0,3 mm. Μέχρι στιγμής, είναι δύσκολο να ολοκληρωθεί η λεπτή σύνδεση μεταξύ των σπειρών χρησιμοποιώντας άλλες διαδικασίες. Ωστόσο, το μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ότι απαιτείται μεγάλη ποσότητα υλικού υποστήριξης για την κατασκευή μεγαλύτερων εξαρτημάτων και είναι συνήθως αδύνατο να κατασκευαστούν υλικά LSR χρησιμοποιώντας αυτή τη διαδικασία.

Περίληψη-Σιλικόνη 3D εκτύπωση

Λόγω της μεγάλης ποικιλίας διαδικασιών παραγωγής που βασίζονται στην εξώθηση, σχεδόν όλα τα συστατικά μπορούν να παραχθούν με σιλικαζέλ. Ανάλογα με την απαιτούμενη γεωμετρία και τον τύπο σιλικόνης, μπορεί να επιλεγεί η κατάλληλη διαδικασία. Η βάση και το κριτήριο για μια επιτυχημένη διαδικασία παραγωγής είναι πάντα η ακριβής και επαναλαμβανόμενη χορήγηση σιλικόνης. Ωστόσο, οι δυνατότητες της τρισδιάστατης εκτύπωσης σιλικόνης δεν έχουν εξαντληθεί. Ειδικά με τη χρήση νέων τεχνολογιών, όπως νέα υλικά υποστήριξης (όπως υδρογέλες), η Antarctic Bear πιστεύει ότι περισσότερα νέα σχέδια είναι ακόμα στο δρόμο.