Ein Leitfaden für Anfänger zum 3D-Druck mit Silikon

[Bildnachweis:ACEO]

Silikon-3D-Druck ist eine neuartige, aber äußerst vielseitige Technologie, die in den meisten Branchen eingesetzt werden kann, einschließlich der Gesundheits-, Robotik- und Automobilindustrie.

Heute wird es im Prototypenbau und in der Kleinserienfertigung eingesetzt, sodass Unternehmen kleinere Teileserien schneller und wirtschaftlicher produzieren können.

In diesem Leitfaden untersuchen wir, was die Nachfrage nach Silikon-3D-Druck antreibt, auf dem Markt verfügbare Schlüsseltechnologien und Anwendungen, die am meisten vom Silikon-3D-Druck profitieren.

Der Aufstieg des Silikon-3D-Drucks

Silikon ist ein Material, das fast überall im Überfluss vorhanden ist, von Textilien bis hin zu Automobilteilen. Es kann erstaunlichen Belastungen und extremen Temperaturen standhalten, was es zu einem gewünschten Material in vielen Aspekten der Montage von Luft- und Raumfahrzeugen macht. Dank ihrer Biokompatibilität sind Silikone auch im Gesundheitswesen weit verbreitet.

Bis vor kurzem erfolgte die Herstellung von Silikonteilen hauptsächlich im Spritzgussverfahren. Diese Technologie kann jedoch aufgrund der hohen Werkzeugkosten, die weit über 100.000 US-Dollar erreichen können, sehr teuer sein, was die Herstellung von Kleinserien unmöglich macht.

Wenn ein Unternehmen außerdem das Design ändern möchte, muss es nach der Produktion der ersten Teileserie die Form wiederholen, was die Kosten und die Vorlaufzeit weiter erhöht.

Der 3D-Druck hingegen ist flexibler, da er keine Werkzeuge erfordert und die Kosten des Prozesses nicht vom Volumen bestimmt werden. Die Kombination von 3D-Druck und Silikon ist daher bei geringen Stückzahlen durchaus sinnvoll.

Trotz der Vorteile, die diese Kombination bietet, wurde der Silikon-3D-Druck erst vor kurzem entwickelt, nicht zuletzt aufgrund der Beschaffenheit des Materials.

Silikon hat eine hohe Viskosität, daher ist es oft schwierig, das Material wie andere Polymere in 3D zu drucken. Darüber hinaus verfestigt sich Silikon normalerweise bei erhöhten Temperaturen, was für Polymer-3D-Drucker oft eine Herausforderung ist.

Der Markt für Silikon-3D-Druck hat jedoch begonnen, allmählich zu wachsen, angetrieben sowohl durch die wachsende Nachfrage als auch durch Innovationen bei Silikon-3D-Drucktechnologien.

Silikon-3D-Drucktechnologien

ACEO, ein Geschäftsbereich des deutschen Chemieriesen Wacker Chemie AG, hat als erstes Unternehmen eine Technologie für den 3D-Druck von reinem Silikon entwickelt.

Die 2016 erstmals vorgestellte Technologie von ACEO verwendet eine „Drop-on-Demand“-Technik, die ähnlich wie Inkjet-Technologien funktioniert. Der Prozess beginnt mit dem Auftragen von Tröpfchen des Materials in Form einer einteiligen Schicht, die anschließend mit UV-Licht ausgehärtet wird. Anschließend wird die nächste Schicht Silikontröpfchen aufgetragen und durch das UV-Licht mit der vorherigen verbunden. Der Vorgang wird wiederholt, bis das Objekt vollständig ist.

ACEO ist nicht nur die erste 3D-Drucktechnologie, die 100-prozentige Silikonteile herstellt, sondern erzeugt auch Teile mit isotropen (in alle Richtungen gleichmäßigen) mechanischen Eigenschaften, die mit dem Spritzgießen vergleichbar sind.

Darüber hinaus ist das Verfahren von ACEO auch Multimaterial, sodass Teile mit unterschiedlichen Farben und unterschiedlichen Härtegraden hergestellt werden können.

Im vergangenen Jahr hat ACEO seine Technologie noch weiter verbessert und einen neuen 3D-Drucker der ACEO Imagine Series K2 auf den Markt gebracht, der es ermöglicht, Teile gleichzeitig mit bis zu vier verschiedenen Silikonmaterialien in 3D zu drucken.

Als einer der ersten Teilnehmer in einer Arena des Silikon-3D-Drucks ist die Technologie von ACEO in einer Vielzahl von Branchen gefragt, darunter die Industriegüter-, Chemie-, Medizin- und Dentalindustrie.

Henkels LOCTITE 3D-Drucker 

Henkel ist ein weiteres Chemieunternehmen, das im Bereich des Silikon-3D-Drucks tätig ist. Das Unternehmen brachte 2018 seinen Silikon-3D-Drucker und zwei begleitende Silikonmaterialien unter der Marke Loctite auf den Markt. 

Der 3D-Drucker basiert auf einer Digital Light Processing (DLP)-Technologie, bei der ein flüssiges Photopolymerharz unter einer Lichtquelle ausgehärtet wird. Neben Silikonharzen kann die Anlage eine Vielzahl weiterer Materialien verarbeiten, die sowohl von Henkel als auch von anderen Materialherstellern entwickelt wurden. Damit ist der 3D-Drucker eine offene Materialplattform, die den Technologieanwendern viel mehr Flexibilität bietet, da sie nicht auf eine Materialmarke beschränkt sind.

Silikon-3D-Druckservice von Spectroplast 

Neben großen Unternehmen wie Henkel und ACEO sind auch einige Start-ups mit ihrer eigenen Sichtweise auf den Markt des Silikon-3D-Drucks eingestiegen. Das Schweizer Unternehmen Spectroplast ist ein solches Unternehmen.

Spectroplast startete im September letzten Jahres sein Silikon-3D-Druckgeschäft nach jahrelanger Forschung und Entwicklung eines DLP-basierten 3D-Druckers.

Das DLP-Verfahren „liefert eine viel höhere Auflösung und damit eine verbesserte Oberflächengüte“, sagt Petar Stefanov, CTO bei Spectroplast, im Interview mit AMFG.

Der Prozess von Spectroplast soll auch „mindestens 10-mal [schneller] im Vergleich zu herkömmlichen 3D-Druckverfahren für Silikon“ sein.

Im Zuge des weiteren Wachstums des Unternehmens plant es, eine neue Generation von Silikonmaterialien auf den Markt zu bringen und die Technologie auf ein mit Spritzgussstandards vergleichbares Niveau zu entwickeln.

Unterstützt durch eine jüngste Investition in Höhe von 1,38 Millionen Euro als Seed-Finanzierung ist Spectroplast bei diesen Zielen auf gutem Weg und in einer guten Position, einen Anteil am wachsenden Silikonmarkt zu erobern.

Die LAM-Technologie von German RepRap 

Eine weitere interessante Silikon-3D-Drucktechnologie wurde von German RepRap entwickelt. Das Unternehmen ist auf 3D-Drucker auf Extrusionsbasis spezialisiert; Seine Silikon-3D-Drucktechnologie basiert jedoch auf einem ganz anderen Ansatz.

Die Liquid Additive Manufacturing (LAM)-Technologie, wie German RepRap das Verfahren genannt hat, arbeitet mit verflüssigten Polymeren, darunter auch Silikonen, die schichtweise aufgebracht werden. Dann wird jede Schicht vulkanisiert und unter Hitzeeinwirkung mit einer vorherigen verbunden.

Der Vulkanisationsprozess soll 3D-gedruckte LAM-Teile mit nahezu den gleichen Eigenschaften wie Spritzgussteile herstellen.

Das LAM-Verfahren wurde erstmals auf der Formnext 2018 vorgestellt, zusammen mit dem ersten serienreifen LAM-3D-Drucker, dem L280. Das Unternehmen hat an der Weiterentwicklung der Technologie für den industriellen Einsatz gearbeitet und im vergangenen Jahr einen neuen L320 LAM 3D-Drucker auf den Markt gebracht.

Bemerkenswert ist auch, dass German RepRap im vergangenen Monat vom Maschinenbauunternehmen Arburg übernommen wurde, das auch 3D-Drucker baut. Es wird interessant sein zu sehen, wie sich die Übernahme auf die LAM-Technologie-Roadmap auswirkt. Vielleicht entwickelt Arburg einen Silikon-3D-Drucker auf Basis von LAM, oder German RepRap entwickelt die LAM-Technologie unter seiner Marke weiter, die mittlerweile von einem großen Technologiekonzern unterstützt wird.

Auf jeden Fall ist es unwahrscheinlich, dass die Entwicklung der LAM-Technologie angesichts der wachsenden Nachfrage nach 3D-gedruckten Silikonen und sehr geringer Konkurrenz abläuft.

Silikon-3D-Druckanwendungen

Gesundheitswesen 

Aufgrund der Materialeigenschaften wie Ungiftigkeit, Biokompatibilität und Beständigkeit gegen UV-Licht und Chemikalien eignet sich der Silikon-3D-Druck besonders für Anwendungen im Gesundheitswesen.

Dazu zählen Hörgeräte, Masken, Prothetik, Protheseneinlagen, Trachealstents und Herzklappen sowie Ortheseneinlagen.

Im Wesentlichen ermöglicht der Silikon-3D-Druck eine kostengünstige Individualisierung dieser Geräte, was zu einer besseren Passform für den Patienten führt.

In einem von Spectroplast geteilten Beispiel wurde Silikon-3D-Druck angewendet, um maßgeschneiderte Brustprothesen für Brustkrebspatientinnen herzustellen.

Bei einem als Mastektomie bekannten Eingriff wird „ein Teil der Brust entfernt und die meisten Patientinnen müssen sich für eine externe Prothese entscheiden, im Wesentlichen ein Silikonobjekt, das in einem BH getragen wird. Diese gibt es heute in wenigen standardisierten Größen und noch weniger standardisierten Formen und passen meist nicht perfekt zur Anatomie des Patienten“, erklärt Petar Stefanov.

Mit dem Silikon-3D-Druckservice von Spectroplast können Krankenhäuser Patienten jetzt maßgeschneiderte Prothesen anbieten, die auch die ursprüngliche Symmetrie beibehalten.

In einem anderen Fall hat Loctite einem Hersteller von Atemschutzmasken geholfen, 100 Silikonschläuche für eines seiner Beatmungsprodukte herzustellen. Spritzgießen war in dieser Situation vor allem aufgrund der Konstruktionsbeschränkungen nicht möglich – die Rohre waren aufgrund ihres sehr kleinen hohlen Kerns kaum herzustellen. Aus diesem Grund wandte sich das Unternehmen dem 3D-Druck zu, der für seine Fähigkeit bekannt ist, komplexe Funktionen und Details mit wenigen Einschränkungen zu erstellen.

Letztendlich wurden die 100 transparenten Silikonschläuche mit einer Geschwindigkeit von 30 Teilen pro Tag und zu Kosten von 19 US-Dollar pro Teil in 3D gedruckt – deutlich weniger als 190 US-Dollar pro Teil, die für das Spritzgießen angegeben werden. Zusätzlich zu den Einsparungen wurde auch die Durchlaufzeit für Hartwerkzeuge von vier auf sechs Wochen auf nur wenige Werktage verkürzt.

Robotik

In der Industriegüterindustrie wird der Silikon-3D-Druck für Prototypen und die Herstellung von Softrobotik verwendet. Weiche Roboter werden aus hochflexiblen Materialien hergestellt und ermöglichen neue Roboterbewegungen ähnlich denen von lebenden Organismen, die herkömmliche Roboter nicht nachbilden können. Darüber hinaus bieten Softroboter eine hervorragende Anpassungsfähigkeit an ihre Umgebung und sind sicherer in der Nähe von Menschen.

Das deutsche Start-up Formhand hat mit Hilfe des Silikon-3D-Drucks einen universellen Greifer für vielseitige Anwendungen in allen Branchen entwickelt. Das Team nutzte den Silikon-3D-Druckservice von ACEO, um Prototypen mehrerer Greiferdesigns zu erstellen. Dank der Technologie konnten sie schnell und kostengünstig kundenspezifische Komponenten erstellen.

Andere Anwendungen

Neben den oben genannten Anwendungen eignet sich der Silikon-3D-Druck zur Herstellung von Abdeckungen für elektronische Bauteile, um diese vor extremer Hitze, Feuchtigkeit, Salz, Korrosion und Schmutz zu schützen.

Darüber hinaus können mit der Technologie Dichtungen für Chemie- und Automobilanwendungen hergestellt werden. In der Dentalindustrie verwenden Kieferorthopäden den Silikon-3D-Druck bei der Erstellung von Zahnmodellen, die dann zur Herstellung verschiedener zahnärztlicher Geräte wie Kronen verwendet werden.

Die Zukunft des Silikon-3D-Drucks

Für Silikon-3D-Druckanwendungen sind eindeutig keine Grenzen gesetzt. Aufgrund der Entwicklung der Technologie ist die Akzeptanzrate jedoch gering. Viele Unternehmen sind sich der Fähigkeiten der Technologie noch nicht bewusst oder zögern, sie aufgrund ihrer Neuheit einzuführen.

Angesichts der anhaltenden Innovation in diesem Bereich und des Zustroms neuer Unternehmen wird der Silikon-3D-Druck jedoch eine praktikable Alternative zu anderen Silikonherstellungstechnologien werden. Die Nachfrage nach 3D-gedruckten Silikonteilen ist da – und wächst – was darauf hindeutet, dass die Zukunft der Technologie sowohl spannend als auch wirkungsvoll sein wird.