シリコーン付加製造：押し出しベースの付加製造方法とプロセス

この投稿は Spectacled Bear によって 2021-11-14 07:10 に最後に編集されました。

はじめに: 今日、積層造形は試作に使用できるだけでなく、量産前の製造や量産部品の製造にも大きな可能性を秘めています。 3D プリントされたコンポーネントの場合、材料特性が非常に重要です。
この分野では、3D プリントされた部品は、同じ機械的特性と化学的特性を持つ場合にのみ、従来製造された部品と競合できます。生体適合性、耐熱性、高弾性などの要件により、シリコーンは多くの用途に欠かせないものとなっています。そのため、付加製造の利点をシリコンなどの材料と組み合わせることが期待されています。しかし、シリコーンの付加製造プロセスは単純ではありません。この記事では、さまざまな押し出しベースの方法とプロセスをリストし、さまざまな架橋メカニズムとそれぞれの利点と欠点を詳細に示します。
△ドイツ製 RepRap 液状シリコン 3Dプリンター L320
シリコン3D プリント: 押し出しベースのプロセス<br /> 押し出しプロセスの決定的な利点は、処理できる液体やペーストの種類が幅広いことです。これには、低粘度から高粘度、RTV (室温加硫) から標準 LSR (液状シリコーンゴム)、UV 硬化型、粒子充填シリコーンまで、ほぼすべてのタイプのシリコーンが含まれます。押し出し製造プロセスは、材料がプリントヘッドから押し出され、層ごとに堆積される FLM (Fused Layer Modeling) 印刷と非常によく似ています。 2 成分 LSR および RTV シリコーンプロセスについては、以下で開発します。 LSR は架橋するために熱エネルギーを必要としますが、RTV シリコーンは室温で反応できます。

△液体付加製造（LAM）プロセスは、FDMに少し似ており、材料押し出し技術です。各層は押し出されますが、FFF や FDM などの方法とは異なり、プロセス中に原材料が溶けることはありません。対照的に、LAM 材料は堆積時に液体であり、熱にさらされることで液体が加硫され、材料が熱硬化して架橋します。このプロセスにより、材料は機械的特性を維持し、多くの新しい用途を生み出すことができます。 LAM 3D プリンティングは、射出成形部品とほぼ同じ特性を持つ部品を製造できるため、医療、履物、フレキシブル素材への応用価値が高くなります。
架橋LSR
シリコン印刷には液体材料が使用されます。したがって、決定的なプロセスパラメータは、シリコーンの寸法安定性と架橋です。同様に重要なのは、完成したシリコーンの強度であり、これは付加重合や縮合重合などの材料の化学反応によってのみ達成できます。基本的に、LSR シリコーンの架橋時間は、製造中の架橋と加工後または後加工中の架橋の 2 つに区別されます。
製造中の架橋：

加熱ビルドプラットフォーム: AM マシンの加熱ベッドは、熱架橋に必要なエネルギーを提供します。シリコーンの反応時間に応じて、加熱ベッド上に押し出された後、数秒以内に架橋が起こることがあります。

しかし、このプロセスには決定的な欠点があります。それは、温度分布がコンポーネントの高さによって変化するということです。これは、層がビルドプラットフォームから離れるほど、提供される熱エネルギーが少なくなるためです。つまり、多層コンポーネントに対して信頼性が高く安定したプロセスを実現することは困難です。経験上、ホットベッドシステムを使用して 2 ～ 3 cm を超えるコンポーネントを製造することはもはや不可能であることが判明しています。

層ごとの架橋: 上から個々のコンポーネントに熱を入力することで、任意の数の層を均一に架橋できます。印刷プロセス中に直接加熱が行われるため、コンポーネントは印刷後すぐに使用できるようになります。この方法では、赤外線ランプなどの追加の熱源が必要です。さらに、強度と露光時間をそれぞれの層に合わせて調整する必要があり、製造プロセス全体がより高価で複雑になります。

後処理における架橋:別のアプローチは、押し出し後に形状を保持する能力を持つシリコーンを使用して、材料のレオロジー特性を活用することです。これは、シリコーンの高粘度または高チキソトロピー性、あるいはその両方の組み合わせによって実現できます。 LSR シリコンで作られた完成部品は、後処理段階でオーブンに入れられ、部品の変形を引き起こす熱入力なしに適切な温度で架橋されます。このプロセスでは、印刷プロセス中に熱を供給するための追加の機器を使用する必要はありません。
サポート資料<br /> 張り出し構造またはブリッジ構造（閉じたプロファイル）の場合、製造用にサポート構造を構築する必要があります。このサポート材料は、製造プロセス中にシリコンに付着し、架橋プロセス中の熱条件に耐える必要があります。その後、完成したコンポーネントから簡単に取り外せる必要があります。しかし、各シリコンに適したサポート材料を見つけることは困難であり、サポート構造を構築するには、製造プロセスで追加の材料と時間が必要になります。
RTV: ハイドロゲルでの製造<br /> しかし、サポート構造を使用せずに設計の自由度を可能にするプロセスがあります。それは、異なる材料で製造することです。これを行うには、長い針を使用して、シリコンを「サポート材料」が入った容器に押し込みます。この支持材料は、例えば粉末またはハイドロゲルであってもよい。プロセスを図に示します。
△ シリコーン 3D プリント：ハイドロゲル内での製造プロセス最初のステップでは、シリコーン (オレンジ) がサポート材料 (青) に押し出され、押し出されたストランドが周囲の材料によって固定されます。希望する構造が形成され、シリコンが架橋された後、ピンセットで材料からコンポーネントを取り外すことができます。最後に、サポート材の残りを取り除くか、洗い流します。 RTV シリコーンは、非常に短時間 (30 ～ 60 分) で架橋するため、このプロセスに特に適しています。コンポーネントを取り外した後、サポート材料を再利用できます。
△シリコン製のDNA構造。ハイドロゲルの3Dプリント部品として製造。
この方法の最大の利点は、設計の自由度が高いことです。急すぎる張り出しや橋梁によって制限されることはありません。例えば、写真の DNA 二重らせん構造は 0.3 mm の針を使用して印刷されました。これまで、他のプロセスを使用してスパイラル間の微細な接続を実現することは困難でした。ただし、この技術の欠点は、より大きな部品を製造するには大量のサポート材料が必要であり、通常、このプロセスを使用して LSR 材料を製造することはできないことです。
概要 - シリコン3D プリント<br /> 多種多様な押し出しベースの製造プロセスのおかげで、ほぼあらゆる部品をシリコンから製造できます。希望する形状とシリコンの種類に応じて、適切なプロセスを選択できます。製造プロセスを成功させるための基礎と基準は、常にシリコンの正確で再現可能な塗布です。しかし、シリコン 3D プリントの可能性はまだまだ尽きていません。特に、新しいサポート材料（ハイドロゲルなど）などの新しいプロセスの使用により、Antarctic Bear は、さらに新しいデザインが今後も登場すると考えています。

参考：1. シリコーンによる付加製造：押し出しベースの付加製造方法とプロセス
2. 標準材料の3Dプリント
3. ドイツのRepRapが新型液体シリコン3DプリンターL320を発売