Lynxter, Pionier und Marktführer im modularen 3D-Druck, zeigt einen Blick auf die Erfolgsgeschichte des Silikon-3D-Drucks. Die Wahl dieses Materials, seine Vorteile, sein Extrusionsverfahren im Vergleich zu herkömmlichen Methoden und die Anwendungsfälle in der Industrie 4.0.

Entdecke hier im Blog-Artikel, wie das Forschungs- und Entwicklungsteam von Lynxter die Grundlagen definiert und jeden Tag experimentiert, um Regeln aufzubrechen und über das hinauszugehen, was der Silikon-3D-Druck heute ist.

Silikon 3D-Druck

Normalerweise werden flüssige Materialien durch Gießen – z. Bsp. beim Spritzguss – in Form gebracht. Dieses Verfahren ist für große Serien interessant, aber die Herstellung einer Gussform ist im Allgemeinen langwierig und teuer.
Der Spritzguss ist also nur für die Produktion großer Chargen am besten geeignet. Denn das Verfahren bleibt in Bezug auf Geometrien stark begrenzt, da es die Herstellung von nicht vollständigen Teilen angesichts Optimierung bezüglich des Gewichts oder Härte nicht ermöglicht.

Der 3D-Silikondruck bietet daher eine neue und interessante, ergänzende Lösung, um den Bestand an Formen und Elastizität zu erweitern.

Definition: Was ist Silikon?

Silikon ist die allgemeine Bezeichnung für Polysiloxan, eine Klasse von Polymerketten, die hauptsächlich aus Silizium, Sauerstoff und organischen Gruppen bestehen. Die Bindungen zwischen den Sauerstoff- und Siliziumatomen ermöglichen eine hohe Beweglichkeit dieser Polymerketten, was zu einer starken Verformbarkeit des Materials bei Raumtemperatur führt. Diese Familie von Polymeren unterscheidet sich durch ihre chemische Stabilität sowie durch ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften.

Silikon gibt es in verschiedenen Zuständen, die von seiner makromolekularen Struktur, der Größe und der Größenverteilung der Ketten, aus denen es besteht, abhängen. Es gibt Silikonöle und -gummis (die als Zusatzstoffe, Schmiermittel und Hydraulikflüssigkeiten verwendet werden), Gele (die z. Bsp. in Brustprothesen und Fahrradsätteln eingesetzt werden) und schließlich Elastomere.
Silikon-Elastomer ist die am häufigsten verwendete Form.

Was ist ein Elastomer?

Ein Elastomer ist der vernetzte Zustand des Silikons (ein dichtes dreidimensionales Netzwerk von Silikonketten), der ihm seine bekannten Elastizitätseigenschaften verleiht.

Es ist möglich, der Zusammensetzung verstärkende Füllstoffe und Additive hinzuzufügen, um die mechanischen oder thermischen Eigenschaften des Elastomers zu verbessern. Es gibt mehrere Kategorien von Silikonelastomeren, die sich nach ihrer Vernetzungsreaktion richten:

Raumtemperatur-Vulkanisations-Elastomere (RTV)

RTV1 (Room Temperature Vulcanization Mono-Component) liegen in Form einem eher zähflüssigen Einkomponentenliquids vor, die sich bei Kontakt mit Luftfeuchtigkeit allmählich vernetzt. Die Vernetzung dieser Silikone erfolgt bei Raumtemperatur und kann Reaktionsnebenprodukte (z. Bsp. Essigsäure) erzeugen, was ihre Verwendung einschränkt. Die gebräuchlichsten Anwendungen für diesen Elastomertyp sind Leime, Klebstoffe, Dichtstoffe und Handabdichtungen (z. Bsp. im Badezimmer).

RTV2 (Room Temperature Vulcanization two components) sind zwei relativ flüssige Teile. Die Vernetzung dieser Silikone erfolgt durch Mischen der beiden Teile bei Raumtemperatur. Durch seine niedrige Viskosität ist es im Allgemeinen leicht zu verwenden, vor allem aber beim Spritzgießen oder Abformen. Es gibt keine Reaktionsnebenprodukte ab und ist daher für den medizinischen Bereich sehr interessant. Daher kann es für Anwendungen verwendet werden, die einen Kontakt mit der Haut oder sogar mit Lebensmitteln erfordern.

Hochtemperatur-Vulkanisations-Elastomere (HTV)

HCR (High Consistency Rubber) ist ein pastöser Block aus Ein- oder Zweikomponenten-Silikon, der unter Druck und hohen Temperaturen aushärtet. Traditionell wird diese Art von Silikon mit Walzenmischern oder Kalandern verarbeitet, um ein Silikon mit hoher Zug- und Reißfestigkeit und guter Alterungsbeständigkeit zu erhalten. Dadurch eignet es sich besonders für industrielle Anwendungen (Dichtungen, Schläuche, Kabelschutz).

LSR (Liquid Silicon Rubber) sind zwei flüssige Teile, die recht zähflüssig sind und gemischt sowie erhitzt werden müssen, um die Vernetzungsreaktion zu bewirken. Diese Art von Silikonelastomer hat sehr gute mechanische Eigenschaften und deckt einen breiten Härtebereich ab. Es eignet sich sehr gut für Anwendungen, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen oder in der Medizin eingesetzt werden.

Unter allen technischen Elastomeren ist Silikon aufgrund seiner sehr guten Temperaturbeständigkeit (von durchschnittlich -50°C bis 250°C) und seiner chemischen Trägheit zu bevorzugen.
Es kann in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden: in Kontakt mit Lösungsmitteln, Kohlenwasserstoffen, aber auch in Kontakt mit der Haut oder Lebensmitteln.

Silikon 3D-Druck im FFF-Verfahren
Wie wird Silikon 3D-gedruckt?

Seit 2016 hat Lynxter mehrere Drucktechnologien für den modularen 3D-Drucker S600D entwickelt: Extrusion von thermoplastischem Filament, Keramik sowie Ein- und Zweikomponentensilikon

Die 3D-Drucktechnologie für Silikon ist in zwei von Lynxter entwickelten Werkzeugköpfen erhältlich.
Der LIQ11-Werkzeugkopf kann Einkomponenten-Silikone (z. Bsp. RTV1) drucken, während der LIQ21-Werkzeugkopf Zweikomponenten-Silikone (z. Bsp. RTV2 oder LSR) drucken kann.
Sie müssen zusammengemischt werden, um vom liquiden Zustand in einen Feststoff umgewandelt zu werden.

Das zu druckende flüssige Silikon muss zunächst in anschließbare Spritzen mit einem Kolben abgefüllt werden. Die Silikondruckköpfe von Lynxter sind mit volumetrischen Dosierpumpen ausgestattet, die eine hohe Abgabe- und Dosiergenauigkeit gewährleisten.
Diese Pumpen werden über Druckspritzen (Druckluft) mit Rohmaterial versorgt. Die Pumpen fördern und dosieren die zu druckende Materialmenge, die über eine am Pumpenausgang angeschlossene Präzisionsdüse aufgetragen wird. Der LIQ21-Werkzeugkopf verwendet einen statischen Mischer zwischen der Pumpe und der Düse, was zu einer homogenen Mischung der beiden zu druckenden liquiden Komponenten führt.

Das Prinzip dieses additiven Herstellungsverfahrens ähnelt dem FFF/FDM/MEX-Verfahren. Es besteht darin, einen Tropfen nach dem anderen abzuscheiden. Schicht für Schicht, bis der Aufbau des zu druckenden Objekts abgeschlossen ist.

Allerdings wird dieser aufgetragene Tropfen nicht am Düsenausgang fixiert (wie bei der Abkühlung des Thermoplasts am Extrusionsausgang). Die gedruckte Flüssigkeit wird so zusammengesetzt, dass sie eine bestimmte Rheologie aufweist, so dass das Material übereinandergelegt werden kann, ohne zusammenzufallen. Die Vernetzungsreaktion findet während und nach dem Druckvorgang statt und "friert" das bereits geformte Material ein. Nach der Vernetzung erhält das Teil seine endgültigen physikalischen und chemischen Eigenschaften.

Somit sind die liquiden Materialien, die mit dieser Technologie gedruckt werden können, im Wesentlichen duroplastisch (mit einem elastomeren Verhalten bei Silikonen).

3D-Druck von Silikon
Lynxter, Experte für additive Fertigung aus Silikon

Einer der Vorteile der 3D-Drucktechnologien ist ihre Reaktivität. Im Falle von Silizium kann sie zur Herstellung von Ersatzteilen für Notfälle, Wartungsarbeiten oder zur Optimierung von Versorgungsengpässen genutzt werden. Die so hergestellten Teile sind aus "gutem Material" und daher direkt nach dem Druck funktionsfähig.

Da die Herstellung von Gussformen nicht mehr notwendig ist, erfolgt die Design-Iteration der Teile einfacher, schneller und damit wirtschaftlicher. Wenn man das CAD beherrscht, kann man auch darüber nachdenken, das endgültige Teil leichter zu machen, indem man die Füllrate und das Füllmuster anpasst.

Silikonteile, die durch additive Fertigung auf dem S600D gefertigt werden, haben ähnliche mechanische Eigenschaften wie Teile, die durch Formen oder Gießen hergestellt werden. Die Ablagerung von flüssigem Material ermöglicht die Schaffung kovalenter chemischer Bindungen zwischen den Schichten und damit die Herstellung vollständig isotroper Teile.

Der 3D-Druck von Silikon ist ein echter Gewinn für die Herstellung von kundenspezifischen Teilen im Gesundheitswesen und in anderen Bereichen, da er die Verwaltung und Überwachung von Patienten erleichtert. Es ist möglich, ein Gerät durch Anpassung des CAD anzupassen und zu überarbeiten, ohne dass zum Beispiel ein neuer Abdruck erforderlich ist.

Seit 2017 hat Lynxter sein Know-how in der additiven Silikonherstellung ausgebaut. Alle seither durchgeführten Arbeiten erfolgten in enger Zusammenarbeit mit Materialpartnern und haben zu einer Reihe von Silikonmaterialien für den 3D-Druck geführt.

Lynxter kann sich auf sein Labor verlassen. Ausgestattet mit Mitteln zur Zusammensetzung und Konditionierung von Rohstoffen, erleichtert und beschleunigt es die Technologieentwicklung. Alle im Lynxter-Ökosystem verfügbaren Materialien verfügen über einen Satz von Druckparametern, die in der Slicing-Software verwendet werden können. Das Material- und Prozess-Know-how von Lynxter ermöglicht es dem Unternehmen, eine Plug-and-Play-Lösung anzubieten und Kunden bei der Entwicklung ihrer Anwendungen zu unterstützen. Derzeit umfasst das Angebot an Silikonen, die mit dem S600D kompatibel sind, mehrere Härtegrade und beinhaltet RTV1- und RTV2-Silikone. Einige dieser Materialien haben besondere Eigenschaften, wie z. Bsp. Hautkontakt (ISO 10993-5).

Anwendungen und Anwendungsfälle des 3D-Drucks von Silikon
Ein wichtiger Schritt im Gesundheitswesen

Der 3D-Druck von Silikon wird heute in vielen Bereichen aufgrund seiner chemischen und thermischen Eigenschaften zur Herstellung von kundenspezifischen Teilen oder Ersatzteilen eingesetzt.

Im medizinischen Bereich wird der Silikon-3D-Druck bei der Herstellung von Nahtmaterial, bei der Produktion von orthopädischen Teilen (Podologie, Orthoprothesen), aber auch von medizinischen Implantaten, beispielsweise für die Epithetik, eingesetzt.

Verbesserte Reaktionsfähigkeit in der Industrie

In der Industrie kann diese Technologie bei Maskierungsanwendungen für Oberflächenbeschichtungen eingesetzt werden. Sie ist auch nützlich für die Herstellung von Dichtungen mit einer einzigen Form für jede Art von Abdichtung. Und schließlich spielt sie eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und Herstellung von Greifern für die Soft-Robotik, die eine echte Herausforderung bei der Entwicklung von Industriestraßen darstellt.

Viel Raum zum Experimentieren

Ebenso ist es möglich, Textilien zu funktionalisieren, indem man sie direkt auf ihre Oberfläche druckt. Auf diese Weise funktionalisierte Textilien sind eine Antwort auf ästhetische Fragen in der Modebranche oder auf das Hinzufügen von Funktionen wie Rutschfestigkeit (Socken, Strümpfe).

Mit seiner Technologie der additiven Fertigung mittels Flüssigsilikonabscheidung eröffnet Lynxter das Feld der möglichen Geometrien und Anwendungen. Ziel ist es, die Palette der bedruckbaren Silikone und Materialien weiter auszubauen, die Verpackungsgrößen zu diversifizieren und die Grenzen dieser Technologie weiter zu verschieben.