Silikon-3D-Druck erklärt: Einsteiger-Guide zur zukunftsweisenden Produktion

[Bildnachweis: ACEO]

Silikon-3D-Druck ist eine neuartige, aber extrem vielseitige Technologie, die in den meisten Branchen anwendbar ist – Healthcare, Robotik, Automotive.

Heute wird sie in Prototyping und Kleinserienproduktion eingesetzt, sodass Unternehmen kleinere Losgrößen schneller und wirtschaftlicher fertigen können.

In diesem Guide erkunden wir, was die Nachfrage nach Silikon-3D-Druck antreibt, verfügbare Schlüsseltechnologien und Anwendungen, die am meisten davon profitieren.

Der Aufstieg des Silikon-3D-Drucks

Silikon ist allgegenwärtig – von Textilien bis Autoteile. Es widersteht extremen Belastungen und Temperaturen, was es in Flugzeug- und Raumfahrtmontage begehrt macht. Dank Biokompatibilität sind Silikone auch in Healthcare-Anwendungen weit verbreitet.

Bislang erfolgte Silikonteilefertigung primär durch Spritzguss. Diese Technologie kann jedoch sehr teuer sein durch hohe Werkzeugkosten, die oft weit über 100.000 $ liegen – Kleinserienproduktion wird so kostprohibitiv.

Zudem: Will ein Unternehmen nach Erstauflage das Design ändern, muss das Werkzeug neu erstellt werden – weitere Kosten und Lieferzeitverlängerung.

3D-Druck ist flexibler, da kein Werkzeug nötig und Prozesskosten nicht volumengetrieben sind. 3D-Druck und Silikon zu kombinieren, ergibt daher bei geringen Stückzahlen perfekten Sinn.

Trotz dieser Vorteile wurde Silikon-3D-Druck erst kürzlich entwickelt, nicht zuletzt wegen Materialeigenschaften.

Silikon hat hohe Viskosität, was Druck wie bei anderen Polymeren erschwert. Zudem härtet Silikon meist bei erhöhten Temperaturen aus – oft herausfordernd für Polymer-3D-Drucker.

Dennoch expandiert der Silikon-3D-Druck-Markt allmählich, getrieben durch wachsende Nachfrage und Innovation in Silikon-3D-Druck-Technologien.

Silikon-3D-Druck-Technologien

ACEO, Division des deutschen Chemiekonzerns Wacker Chemie AG, war erstes Unternehmen, das Technologie für 3D-Druck von Reinsilikon entwickelte.

Erstmals 2016 vorgestellt, nutzt ACEOs Technologie ein ‚Drop-on-Demand‘-Verfahren, ähnlich Tintenstrahldruck. Der Prozess beginnt mit Ablage von Materialtröpfchen in Form einer einzelnen Teilebene, die dann mit UV-Licht ausgehärtet wird. Die nächste Silikontropfen-Schicht wird aufgetragen, UV-Licht bindet sie an die vorherige. Wiederholung bis Objekt完成.

Neben Ersttechnologie für 100 % Silikonteile erzeugt ACEOs Prozess Teile mit isotropen (in alle Richtungen uniformen) mechanischen Eigenschaften, vergleichbar mit Spritzguss.

Zudem ist ACEOs Prozess multi-material: Teile mit verschiedenen Farben und Härtegraden sind möglich.

Letztes Jahr verbesserte ACEO die Technologie weiter mit neuem ACEO Imagine Series K2 3D-Drucker, der bis zu vier verschiedene Silikonmaterialien simultan druckt.

Als einer der ersten Akteure im Silikon-3D-Druck ist ACEOs Technologie in vielfältigen Branchen gefragt: Industriegüter, Chemie, Medizin, Dental.

Henkels LOCTITE 3D-Drucker

Henkel ist ein weiterer Chemiekonzern im Silikon-3D-Druck. 2018 launchte das Unternehmen seinen Silikon-3D-Drucker und zwei begleitende Silikonmaterialien unter Loctite-Marke.

Der Drucker basiert auf Digital Light Processing (DLP): flüssiges Photopolymerharz wird unter Lichtquelle ausgehärtet. Neben Silikonharzen verarbeitet das System breite Materialpalette von Henkel und anderen Herstellern – offene Materialplattform für größere Flexibilität, da Nutzer nicht auf eine Marke beschränkt sind.

Spectoplasts Silikon-3D-Druck-Service

Neben Großunternehmen wie Henkel und ACEO betreten Start-ups den Markt mit eigenem Technologieansatz. Schweizer Unternehmen Spectroplast ist eines davon.

Spectroplast startete sein Silikon-3D-Druck-Geschäft im September letzten Jahres nach Jahren der F&E an einem DLP-basierten 3D-Drucker.

Die DLP-Methode ‚liefert deutlich höhere Auflösung und damit verbessertes Oberflächenfinish‘, so Petar Stefanov, CTO bei Spectroplast, im AMFG-Interview.

Spectoplasts Prozess soll ‚mindestens 10-mal schneller sein als konventionelle 3D-Druck-Methoden für Silikon‘.

Mit wachsendem Unternehmen plant Spectoplast neue Silikonmaterial-Generation und Technologieentwicklung auf Spritzguss-Niveau.

Durch kürzliche Seed-Finanzierung von 1,38 Mio. € gut positioniert für wachsenden Silikonmarkt.

German RepRaps LAM-Technologie

Eine weitere interessante Silikon-3D-Druck-Technologie entwickelte German RepRap. Das Unternehmen spezialisiert sich auf Extrusions-3D-Drucker; seine Silikon-Technologie basiert jedoch auf gänzlich anderem Ansatz.

Liquid Additive Manufacturing (LAM), so German RepRap, arbeitet mit verflüssigten Polymeren, einschließlich Silikonen, die schichtweise abgelagert werden. Jede Schicht wird vulkanisiert und unter Hitze mit vorheriger verbunden.

Der Vulkanisationsprozess soll LAM-3D-gedruckte Teile mit nahezu spritzgussgleichen Eigenschaften erzeugen.

LAM-Prozess wurde erstmals auf Formnext 2018 vorgestellt, साथ mit erstem produktionsreifem LAM-3D-Drucker L280. Unternehmen entwickelte Technologie für Industrieeinsatz weiter und launchte letztes Jahr neuen L320 LAM-3D-Drucker.

Erwähnenswert: Letzten Monat wurde German RepRap von Maschinenbauunternehmen Arburg übernommen, das auch 3D-Drucker baut. Interessant wird sein, wie Übernahme LAM-Technologie-Roadmap beeinflusst. Vielleicht entwickelt Arburg Silikon-3D-Drucker basierend auf LAM, oder German RepRap führt LAM unter eigener Marke fort, nun gestützt von großer Technologiegruppe.

In jedem Fall unwahrscheinlich, dass LAM-Entwicklung abebbt, gegeben wachsende Nachfrage nach 3D-gedruckten Silikonen und geringer Wettbewerb.

Silikon-3D-Druck-Anwendungen

Healthcare

Dank Materialeigenschaften – Nicht-Toxizität, Biokompatibilität, UV- und Chemikalienbeständigkeit – eignet sich Silikon-3D-Druck besonders für Healthcare.

Anwendungen: Hörgeräte, Masken, Prothesen, Prothesenliner, Trachealstents, Herzklappen, orthopädische Einlagen.

Kernnutzen: Kosteneffiziente Individualisierung für bessere Patientenpassform.

Beispiel von Spectoplast: Individualisierte Brustprothesen für Brustkrebspatientinnen. Bei Mastektomie ‚wird Teil der Brust entfernt, die meisten Patientinnen brauchen externe Prothese – im BH getragener Silikonobjekt. Heute in wenigen standardisierten Größen und noch weniger Formen, passen selten perfekt zur Anatomie‘, erklärt Petar Stefanov.

Mit Spectoplast-Service können Kliniken nun maßgefertigte Prothesen anbieten, die Originalsymmetrie bewahren.

Anderes Beispiel: Loctite half Atemschutzhersteller, 100 Silikonschläuche für Beatmungsprodukt zu fertigen. Spritzguss nicht machbar wegen Designconstraints – Schläuche hatten winzigen Hohlkern, kaum herstellbar. 3D-Druck bekannt für komplexe Features mit wenigen Limitierungen.

Resultat: 100 transparente Silikonschläuche à 30 Teile/Tag à 19 $/Teil – deutlich unter 190 $/Teil Spritzgussangebot. Lieferzeit von 4–6 Wochen (Hartwerkzeug) auf wenige Werktage reduziert.

Robotik

In Industriegütern wird Silikon-3D-Druck für Prototyping und Fertigung von Soft Robotics genutzt. Soft Robots bestehen aus hochflexiblen Materialien, ermöglichen neue Bewegungen ähnlich lebender Organismen, die traditionelle Roboter nicht replizieren können. Zudem: exzellente Anpassungsfähigkeit an Umgebung, sicherer im menschlichen Umfeld.

Deutsches Start-up Formhand entwickelte universellen Greifer für branchenübergreifende Mehrzweckanwendungen mit Silikon-3D-Druck. Team nutzte ACEOs Service für Prototyping mehrerer Greiferdesigns. Technologie ermöglichte schnelle, kostengünstige Individualisierung.

Weitere Anwendungen

Zusätzlich: Abdeckungen für Elektronikkomponenten gegen extreme Hitze, Feuchtigkeit, Salz, Korrosion, Schmutz. Dichtungen für chemische und automotive Anwendungen. Dental: Kieferorthopäden nutzen Silikon-3D-Druck für Zahnmodelle, Basis für Kronen etc.

Zukunft des Silikon-3D-Drucks

Klar: Himmel ist die Grenze für Silikon-3D-Druck-Anwendungen. Aufgrund der Technologieneuheit ist Adoptionsrate niedrig. Viele Unternehmen kennen Fähigkeiten nicht oder zögern wegen Neuheit.

Dennoch: Angesichts laufender Innovation und neuer Marktteilnehmer wird Silikon-3D-Druck zu viable Alternative zu anderen Silikonfertigungstechnologien. Nachfrage nach 3D-gedruckten Silikonteilen ist da – und wächst – was spannende, impactvolle Zukunft suggeriert.