分析：シリコン 3D プリント技術の現状と関連する代替技術

シリコーンは、シリコーンとも呼ばれ、いくつかの魅力的な製造特性を備えた合成ゴムです。その化学構造は極めて汎用性が高く、その化学配合はシールからジョイント、ウェアラブル、医療機器、ロボットグリッパー、調理器具、熱絶縁体、電気絶縁体など、幅広い産業用途に合わせて調整できます。

今日のシリコン製品のほとんどは、射出成形、圧縮成形、または鋳造によって製造されています。 3D プリント技術が進歩するにつれて、「シリコン部品を 3D プリントできますか?」という質問が多く寄せられます。答えは「はい」ですが、シリコンは 3D プリントでは比較的新しい素材であり、まだ解決すべき問題が数多くあります。まず、シリコンの粘度は非常に高いため、精密な 3D プリントを行うことが困難です。フォトポリマー材料のように加熱して押し出したり、紫外線で硬化したりすることはできません。つまり、シリコンを 3D プリントするには、高度に専門化された 3D プリンターが必要であり、現在市場で入手できる選択肢はごくわずかしかありません。第二に、シリコーンはエラストマーであり、熱可塑性プラスチックとは異なり、硬化後に液体状態に戻ることはできません。しかし、3D プリント材料にシリコンのような特性を与えることができる 3D プリントプロセスは数多くあり、3D プリントはシリコン部品を成形するための型の作成にも使用できるため、従来のシリコン製造方法に 3D プリントの利点の多くをもたらすことができます。
この記事では、Antarctic Bear が近年市場に登場した 6 つのシリコン 3D プリントメーカーの事例、3 種類の代替品、そして積層造形が従来のシリコン製造プロセスをどのようにサポートしているかを分析します。
シリコン 3D 印刷プロセスと代替ソリューション 現在、市場に出回っているシリコン 3D プリンターとその代替ソリューションは、次の 3 つのカテゴリに分けられます。
（１）直接シリコン3Dプリンティング：市場にはシリコン3Dプリンターが存在しますが、商業的に実現可能であったり、一般企業が利用できるレベルにはまだまだ遠いです。（２）シリコンのような特性を持つ材料を使用した 3D 印刷: 一般的なポリマー 3D 印刷プロセスでは、特定の用途の代替として使用できる、シリコンのような特性を持つさまざまな材料が提供されています。（３）３Dプリントされた型を使用したシリコンの鋳造または成型：３Dプリントを使用した急速成型は、従来の製造方法を使用したシリコン部品の試作と量産の間のギャップを埋めることができます。
ダイレクトシリコン 3D プリント ほとんどの 3D 印刷技術は何年も、あるいは何十年も前から存在していますが、シリコン 3D プリンターは、シリコンを使用した印刷の複雑さのため、まだ比較的新しい実験分野です。過去数年間、いくつかの企業がシリコン 3D プリンターを市場に投入してきましたが、これらのソリューションには一定の制限があり、コストがかかりすぎるため、ほとんどのビジネスやアプリケーションには適していません。
1. ドイツのワッカーACEOシリコンオンデマンド堆積プロセス 直接シリコン 3D 印刷のための最初のソリューションの 1 つは、ドイツのシリコン大手 Wacker Chemical のシリコン 3D 印刷サービスである ACEO によって開発されたオンデマンド堆積プロセスです。 ACEO プラットフォームは、シリコーンエラストマーの印刷専用に開発されたもので、積層造形分野における独自の技術となっています。 Wacker Chemie は 70 年以上の歴史を持つシリコーン材料サプライヤーであり、シリコーン開発に参入した世界最古の企業のひとつです。 WACKER の ACEO® 3D 印刷技術は、液体シリコンゴム部品の付加製造のための産業規模の技術です。 ACEO® は、独自の「ドロップオンデマンド」テクノロジーにより、耐高温性、耐放射線性、生体適合性などのシリコンゴムの優れた特性を維持しながら、高機能部品の印刷における完全な設計の自由度を保証します。 ACEO® テクノロジーを使用して印刷されたシリコーンゴム部品は、自動車、航空宇宙、医療、機器産業、機械工学など、多くの主要産業で広く使用されています。最初の ACEO オープンプリンティングラボは、2017 年にドイツのブルクハウゼンに設立されました。しかし、このソリューションは市場でニッチな市場を見つけることができず、2021年に廃止されました。

ACEO が開発したシリコンオンデマンド堆積プロセスは、「ジェットオンデマンド」原理に基づく印刷プロセスで構成されています。プリントヘッドがシリコンの微小液滴 (ボクセル) を作業プラットフォーム上に一滴ずつ堆積し、その後、液滴が互いに融合して均質なシリコン層を形成します。シリコンの層が印刷されるたびに、システムは直ちに UV 光を使用してシリコン層全体を硬化させます。サポート材料を使用してコーニスや穴などの複雑な構造を作成することで、3 次元オブジェクトを層ごとに印刷できます。印刷が完了したら、オブジェクトを作業プラットフォームから取り外し、サポート材を水で洗い流します。その後、揮発性物質を除去し、最終的な機械的特性を得るために、物体は後加硫されます。

△シールリングは外側がシリコン（青）、内側がエポキシ樹脂（L字構造）でできています。
しかし、ワッカーケミー社のシリコン3DプリントサービスであるACEOは2021年末に閉鎖された。
2. InnovatiQ 液体付加製造（LAM）テクノロジー
液体付加製造（LAM）は、 InnovatiQ（旧ドイツのRepRap）が開発したシリコン3Dプリントの別の形式であり、熱溶解積層法（FDM） 3Dプリントに似た押し出しプロセスを使用してビルドプラットフォーム上に液化シリコンを分配し、紫外線と熱の組み合わせを使用して材料を硬化させて完成品を形成します。この技術の核心は、同社の液状シリコーンゴム（LSR）材料を熱源（ハロゲンランプ）の作用下で加硫させ、熱架橋させて固体状態にすることです。
InnovatiQ によれば、これにより材料は高性能な機械的特性を維持できるようになり、射出成形されたシリコン部品に匹敵する特性を持つ 3D プリント部品が提供されるとのことです。さらに、LAM で印刷された部品は後処理が不要なため、ビルドチャンバーから取り出してすぐに機能的なアプリケーションに使用できます。しかし、このソリューションでは、設計オプションと部品の品質が制限され、プリンターのコストは 12 万ドルになりました。
△LIQ7は、リストガードなどのカスタマイズされた医療機器のフルカラー3Dプリントを実現できます。写真提供：InnovatiQ。 △LAM技術による完成品の展示
3. スペクトロプラスト光重合シリコーン付加製造（SAM）技術 シリコン 3D プリンターの最新例は、Spectroplast 社が開発したシリコン付加製造 (SAM)技術です。 2017 年に設立された Spectroplast は、重合プロセスと互換性のあるさまざまなシリコーンを開発し、これらの材料を使用して 3D 印刷サービスを提供し、カスタマイズされたソフトマテリアル製品の小ロットに対する顧客のニーズに応えています。同社の SAM プロセスは、ステレオリソグラフィー (SLA) やデジタル光処理 (DLP) 3D プリンターで知られるバット光重合技術に似ています。通常、シリコン素材は光硬化できませんが、同社は独自のプロセスを使用してシリコン素材を光硬化させます。この新しい技術は、他の樹脂 3D 印刷技術と同等の高い設計自由度を提供することを約束しており、価格は約 10 万ドルから始まります。
△3Dプリントシリコンラティス、写真はSpectroplastより
Spectroplast のシリコン素材は、特定の特性を実現するように設計されており、ショア A0 からショア A80 までのショア硬度で提供されており、現在は透明を含むすべての色で提供されています。同社は材料とプロセスの両方の著作権を所有していますが、市販の3Dプリンターを使用して製造サービスを提供しています。
△スペクトロプラストが開発したシリコーン付加製造技術は、樹脂3Dプリンターと同様の仕組みで、シリコーン材料を光硬化性材料に変換することができます。
4. フランス企業 Lynxter の産業/医療グレード S300X シリコン 3D プリンター フランスのLynxter社は、シリコン3Dプリント事業に携わる数少ない企業の1つです。同社は、最初のS600Dシリコン3Dプリンターの発売以来、シリコン3Dプリントに関する知識と経験を蓄積してきました。 Lynxter の継続的な開発により、エラストマー 3D プリントの新しいソリューションである S300X シリコン 3D プリンターが誕生しました。このプリンターには、統合されたプリントサポートテクノロジーと新しい SIL001 シリコン材料が導入されています。 Lynxter は、このイノベーションにより、シリコン印刷を民主化したいと考えています。
△Lynxterの新製品S300Xシリコン3Dプリンター
S300X は、統合された印刷サポート技術と新しい SIL001 シリコン材料を備えたラピッドプロトタイピング 3D プリンターです。このプリンターは 3D 印刷の高速応答機能を備えており、工業用および医療用グレードのシリコンとポリウレタンを使用できるようになりました。これは、より幾何学的な自由度を高める印刷対応テクノロジーを統合することによって実現されます。 S300X は、オープンコンセプトのコンパクトで信頼性が高く堅牢な産業用ツールであり、後処理 (塗装、研磨、プラズマ処理など) 用のカスタムマスク、ダンパー、シール、皮膚接触認定装具、追加機能を備えた繊維の製造に使用できます。新しい S300X マシンの発売は、工業品質の SIL001 シリコンを含む Lynxter 独自の材料シリーズのリリースと同時に行われます。 S300X シリコン 3D プリンターは、皮膚接触用 ISO 10993-05 認定の医療グレード RTV2 シリコン (5、10、25、40 ShA)、工業グレード RTV2 シリコン (45shA)、ポリウレタン (50 ～ 85 ShA) など、幅広い材料を印刷できます。これらの耐老化性シリコーンは、大規模な後処理を必要とせず、射出成形で得られるものと同等の機械的特性を備えています。
5. 台湾サンドロー流体付加製造（FAM）プロセス
台湾に拠点を置く OEM (相手先ブランド供給) である San Draw は、シリコン付加製造プラットフォームを専門としています。 San Draw は 2014 年に設立され、同社によれば、同社のプラットフォームを商用アプリケーションに使用する最初のシリコン 3D プリント OEM です。この比較的小規模な市場セグメントと、San Draw 社が 2017 年に流体付加製造 (FAM)プロセスに関する最初の米国特許を申請したという事実を考慮すると、これは驚くことではありません。
2020年、サンドローは、常温加硫（RTV）シリコーンと液状シリコーンゴム（LSR）を使用できる世界初のプリンターである産業用シリコーン3DプリンターS200をリリースしました。この 3D プリンターの造形体積は 235 x 270 x 150 mm です。 S200の主な特徴:

自動キャリブレーション
軽量プリントヘッドと頑丈なシャーシ
XY精度: 0.36度
LSRシリコン（SIL50、SIL70）およびその他のゲル状材料と互換性があります
生体適合性: ISO10993-5およびISO10993-10のSIL50およびSIL70認証

RTV シリコンは金型製作と射出成形の両方に使用でき、射出成形には LSR が最適な選択肢であるため、理論的には、金型を RTV で印刷してから LSR で充填するのが理にかなっています。さらに、同社が新たにリリースした S300 モデルは、生体適合性 (ISO 10993 認証)、柔軟性、耐熱性 (最大 250°C) を備えた San Draw 独自の 2 成分シリコーンと互換性があります。
△SanDrawシリーズプリンター、画像出典：San Draw（https://www.sandraw.com/3dprinter）
6. エルケムの液体シリコン3Dプリント技術とサポート材料 Elkem Silicones は、時価総額約 33 億ドルのノルウェーのメーカーであり、シリコン 3D 印刷技術と材料の開発に取り組んでいます。同社の技術の中核は、液体シリコーン3Dプリント（液体堆積成形（LDM）とも呼ばれる）にあり、2つの成分を混合してシリコーンを形成し、その後硬化させる混合ノズルに依存しています。これは、硬化を完了するための化学架橋に基づく製造技術です。押し出しベースの 3D プリンターに搭載すると、シリコン 3D プリントが真に民主化される可能性があります。これまでフレキシブル 3D プリント分野で主流だったポリウレタンプロジェクトとは異なり、LDM パーツは実際のシリコンから作られているため、この素材が最適なさまざまな用途に使用できます。
これまでのところ、LDM の問題の 1 つは、可能な幾何学的自由度の数が限られていることです。色々な形のホイップクリームなど何でも作れます。しかし、Elkem はそれをすべて変えようとしています。同社は、シリコンと同じシステムで押し出すことができ、Elkem の AMSil および AMSilbione 向けに最適化された AMSil 92100 インクサポート材料をリリースしました。このサポート材は水溶性なので、印刷後に洗い流すことができます。

シリコンのような特性を持つ材料を使用した 3D プリント メーカーがシリコーンを選択する主な理由の 1 つは、これらの材料の弾力性と柔軟性であり、幅広い用途に使用できます。
シリコンのショアデュロメータは通常 10A から 80A の間です。 FDM、SLA、SLS などの一般的なポリマー 3D 印刷プロセスでは、この硬度範囲内で幅広い材料が提供され、耐久性、熱安定性、紫外線耐性、食品安全性、生体適合性、色と半透明性のオプションなど、シリコンのその他の重要な材料特性も組み合わされています。
シリコンに代わる FDM 材料 熱溶解積層法では、熱可塑性ポリウレタン (TPU) や熱可塑性エラストマー (TPE) などのエラストマーが最も柔軟性の高い材料であり、シリコンの代替として使用できます。これらの材料はショア硬度 45A からショア 90A まで市販されており、最も柔らかい材料を除くシリコン硬度範囲の一部をカバーしています。
これらの代替案の利点は、FDM 3D プリンターと材料が一般的に手頃な価格であることです。逆に、欠点としては、精度や寸法精度が低い、解像度、質量、部品の強度が低い、設計の自由度が限られているなどがあり、実際の使用性が制限されます。シリコンのような FDM 材料は、一般的に標準的なシリコンよりも耐久性が低く、安全性が低く、耐熱性が低く、色が限られており、真の半透明のオプションはありませんが、生体適合性があり、皮膚に安全です。
シリコンに代わる SLA 材料 ステレオリソグラフィー 3D プリントは、その高精度と幅広い材料オプションにより、専門家の間で人気があります。 SLA 3D プリンティングはさまざまなシリコン代替品を提供するため、メーカーはシリコンのような部品の試作や、シリコンの柔軟性、弾力性、耐久性を備えた最終用途の部品の作成が可能になります。 SLA 部品は、FDM と比較して、最も滑らかな表面仕上げとより広い設計の自由度を提供します。
シリコンベースの SLA 材料は、一般的に標準的なシリコンに比べて耐久性、安全性、生体適合性が低く (ただし皮膚には安全)、耐熱性も低くなります。シリコン SLA 材料は半透明にすることも、さまざまな色に染色することもできます。
△SLA3D プリントは、シリコン 3D プリントのさまざまな代替手段を提供し、シリコン部品の試作や最終使用部品の製造にも使用できます。
具体的な材料の可用性はプリンターのモデルによって異なりますが、通常は 30A および 90A ショアデュロメーター硬度の範囲です。 Formlabs の SLA 3D プリント材料におけるシリコンの代替材料には、次のものがあります。

Elastic 50A Resin は、通常シリコンを使用して製造される部品の試作に適した柔らかい素材です。この 50A Shaw 素材は、曲げ、伸張、圧縮を繰り返しても破れずに耐え、すぐに元の形状に戻る部品に最適です。ウェアラブル（ショルダーストラップ）、伸縮性ケースやハウジング、圧縮可能なボタン、医療における軟組織解剖などの用途には、Elastic 50A 樹脂を選択してください。
柔軟な 80A 樹脂は、硬質シリコンやゴム、TPU の柔軟性をシミュレートする 80A ショアデュロメータを備えた硬くて柔らかい手触りの素材です。柔軟性のある 80A 樹脂は、柔らかさと強度のバランスが取れており、繰り返し使用しても曲げ、屈曲、圧縮に耐えます。ハンドル、グリップ、オーバーモールド、クッション、ダンピング、衝撃吸収、シール、ガスケット、マスクなどのプロトタイプ作成アプリケーションや、医療における軟骨、腱、靭帯の解剖に最適です。
Rebound Resin は、シリコン材料のデュロメーター範囲をわずかに上回るものの、最終用途アプリケーションに独自の特性を提供する 86A Shore エラストマー 3D 印刷材料です。市販されている他の生産グレードの弾性材料に比べて、5 倍の引裂強度、3 倍の引張強度、2 倍の伸び率を誇る Rebound Resin は、伸縮性のある弾性部品の 3D プリントに最適です。リバウンド樹脂は伸び率が高いため、ハンドルやグリップなどの感触や弾力性のある部分に最適です。継続的な圧縮や張力に耐えるほどの強度があり、耐久性が求められる複雑なガスケットやシールを作るのに最適です。

△リバウンドレジンでプリントされたニューバランスのシューズはすでに発売されており、世界中で履かれています。リバウンド樹脂は、あらゆる気象条件に耐え、従来の素材よりも優れた性能と長寿命を実現します。
シリコンに代わる SLS 素材 選択的レーザー焼結 (SLS) 3D プリントは、産業用途で使用される最も一般的な積層製造技術です。印刷中に未溶融粉末が部品を支え、特殊なサポート構造が不要になるため、高精度、高スループット、事実上無制限の設計自由度が実現します。
シリコンのような特性を持つ SLS 材料には、硬度がショア 45A から 90A の範囲の TPU、TPE、TPA などがあります。正確な可用性はプリンターのモデルによって異なります。
シリコンのような SLS 材料を使用して製造された部品は、精密で耐久性があり、耐摩耗性と耐摩擦性に優れており、3 つのプラスチック 3D 印刷プロセスの中で最も高い耐熱性を備えています。生体適合性があり、皮膚に安全で、再処理後は食品にも安全です。欠点としては、SLS 印刷では色が限られており、半透明のオプションがなく、薄壁のデザインは冷却時に歪む可能性があります。
3D プリントされた型を使用してシリコンを鋳造または成型する 本物のシリコン部品を製造したい人にとって、3D プリントは、従来の製造方法を使用したシリコン部品の試作と大量生産の間のギャップを埋めるのにも役立ちます。

射出成形、熱成形、圧縮成形、シリコン鋳造はすべて、金型を使用して完成したシリコン製品を作成します。しかし、ツールには高額な初期費用がかかり、サービスプロバイダーによる数週間または数か月のリードタイムが必要になるため、製品開発が遅れ、製品を市場に投入するまでの時間が長くなります。
社内のラピッドツールを製品開発プロセスに統合することで、企業は大量生産に移行する前に設計と材料の選択を検証でき、カスタムまたは限定シリーズの最終用途部品を低コストで製造できるようになります。
Google の ATAP チームは、オーバーモールドされた電子サブアセンブリの代わりに 3D プリントされた交換品または代替部品を使用して、工場で初期のツール調整を行います。

Google の Advanced Technology and Projects (ATAP) ラボの設計者は、3D プリントとインサート成形を組み合わせることで、コストを 10 万ドル以上削減し、テストサイクルを 3 週間から 3 日間に短縮することができました。 Google ATAP のチームは、テスト部品を 3D プリントすることで、サプライヤーから取り寄せる高価な電子部品を使用する場合に比べて、時間とコストを節約できることを発見しました。
Dame Products は、健康とウェルネス業界向けの製品を設計するブルックリンを拠点とするスタートアップ企業です。同社は、顧客テストプロトタイプの内部ハードウェアをカプセル化するためにシリコンインサート成形を使用しました。 Dame Products ラインは、鮮やかな色の肌に安全なシリコン層に完全に包み込まれた複雑な人間工学的形状で構成されています。
△DameProducts は、シリコンインサート成形を使用して、顧客のテストプロトタイプの内部ハードウェアをカプセル化します。
シリコンインサート成形は、最終用途部品の少量生産にも最適です。先進的な義肢メーカーの Psyonic 社は、このプロセスを使用して、シリコンでオーバーモールドされた 3D プリントされた硬質コアを備えた義手の指を作成しています。一方、ロボットメーカーの RightHand Robotics 社は、同じプロセスを使用してロボットのグリッパーを作成しています。
△Psyonicはシリコンインサート成形を使用して義手の指を作成します。
圧縮成形用の 3D プリントされた高速ツールは、熱可塑性樹脂、シリコン、ゴム、複合部品の製造に使用できます。キッチン家電メーカー OXO の製品開発者は、3D プリントされた金型を使用して 2 成分シリコンを圧縮成形し、ガスケットなどのゴム部品の試作品を 3D プリントで作成しています。
△3Dプリントは、圧縮成形用の金型を迅速かつ安価に作成する方法です。
鋳造は、医療機器、聴覚学、食品安全アプリケーションなどのシリコンおよびプラスチック部品を製造するための一般的な方法でもあります。医療機器メーカーのCosmは、骨盤底障害を持つ人々のために、患者専用のペッサリーを製造しています。彼らは SLA 3D プリンターで金型を 3D プリントし、生体適合性のある医療グレードのシリコンを注入して部品を作成しました。 3D プリントを使用した迅速なツール作成により、従来のツール作成にかかる高額なコストをかけずにカスタム部品を作成できます。
△シリコン鋳造で製作した患者様専用のペッサリーです。
3D プリントを使用してカスタム耳型を作成することは、補聴器、騒音防止、カスタムヘッドフォンなどの用途で聴覚学の分野にも革命をもたらしました。デジタル製造では、従来の金型製造よりも優れた制御性と精度が提供され、エラーややり直しの数が大幅に削減されます。
△シリコン製の耳型を使ってカスタム耳栓を作る手順。
シリコン鋳造はエンターテインメント業界でも使用されています。受賞歴のある実用的な特殊メイクアップ効果と小道具の制作会社 Dreamsmith Studio の創設者 Jaco Snyman 氏は、SF シリーズ「Raised By Wolves」でこれらのさまざまなテクニックを使用しました。 Snyman 氏は、Form 3L SLA 3D プリンターの巨大な造形体積を活用して、女優の体の超リアルなシリコンレプリカ、俳優のシリコンマスク、人間サイズのダミーなどを作成しました。
△ Form 3L でデジタル設計され 3D プリントされた型を使用して、女優の顔の超リアルなシリコンレプリカを作成します。
逆に、シリコーン素材は、様々な素材を成形するための型を作るのにも使えます。
さまざまなシリコン 3D 印刷プロセスと代替方法の比較

	ダイレクトシリコン3Dプリント	FDM 3D プリント	SLA 3D プリント	SLS 3D プリント	3Dプリントされた型を使用してシリコンを鋳造または成形する
正確さ	★★★☆☆	★★★☆☆	★★★★★	★★★★★	★★★★★
表面処理	★★★☆☆	★★★☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
デザインの自由度	★★★☆☆	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★	★★★☆☆
使いやすさ	★★★☆☆	★★★☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
材料	シリコーン	熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性エラストマー	独自の樹脂	TPU、TPE、TPA	シリコーン
硬度(ショア)	20A～60A	45A～90A	30A～90A	45A～90A	10A～80A
価格	価格はソリューションに応じて約 100,000 ～ 120,000 ドルから始まります。	低価格のプリンターや 3D プリンターキットの価格は数百ドルから始まります。高品質の中級デスクトッププリンターの価格は 2,000 ドル程度から、産業用システムの価格は 15,000 ドルから始まります。	プロフェッショナルデスクトッププリンターの価格は 3,750 ドルから、大判デスクトッププリンターの価格は 11,000 ドルから始まります。	デスクトップ産業用システムの価格は 18,500 ドルから、従来の産業用プリンターの価格は 100,000 ドルから始まります。	お使いのプリンターでの SLA 3D プリントと同じです。その他のコストは製造プロセスによって異なります。

適切なシリコン 3D 印刷プロセスまたは代替手段の選択 直接シリコン 3D プリンターはすぐには入手できませんが、3D プリントを利用してシリコンまたはシリコンのような部品を製造する方法は数多くあります。
△SLA3Dプリントは、シリコンのような特性を持つ部品の試作や、実際のシリコン部品を成形するための型の作成に最適です。
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