Возможна ли 3D-печать силиконом? Лучшие 3D-принтеры для силикона и альтернативы 3D-печать силиконовых деталей

3D-печать силиконовых деталей

Силикон — это синтетический каучук, обладающий рядом привлекательных характеристик для производства. Его химическая структура невероятно универсальна, что позволяет адаптировать его формулу для самых разных областей применения: от уплотнений и соединений до носимых устройств, медицинских приборов, роботизированных захватов, кухонной утвари, тепловой и электрической изоляции и многого другого.

Большинство силиконовых изделий сегодня производится методом литья под давлением, компрессионного формования или литья. С развитием 3D-печати многие задаются вопросом: «Можно ли печатать силиконовые детали на 3D-принтере?» Ответ — да!

Силикон обладает очень высокой вязкостью, что затрудняет его точную 3D-печать. Его нельзя нагреть и экструдировать, как филаменты, или отвердить УФ-светом, как фотополимерные смолы. Это означает, что 3D-печать силиконом обычно не была так широко доступна, как другими материалами, но сегодня на рынке наконец появилось доступное решение. Также существуют процессы 3D-печати, которые предлагают материалы со свойствами, подобными силикону, а саму 3D-печать можно использовать для создания форм для литья силиконовых деталей, что привносит многие преимущества аддитивного производства в традиционные методы изготовления силикона.

В этом подробном руководстве вы узнаете о различных вариантах 3D-печати силиконом, его альтернативах и о том, как аддитивное производство поддерживает традиционные процессы работы с силиконом.

Процессы 3D-печати силиконом и альтернативы

Решения для 3D-печати силиконом и его альтернативы можно разделить на три категории:

1. Прямая 3D-печать силиконом: 3D-принтеры, которые могут печатать 100% чистыми силиконовыми материалами.

2. 3D-печать материалами со свойствами, подобными силикону: Распространенные процессы полимерной 3D-печати предлагают различные материалы со свойствами, аналогичными силикону, которые могут служить альтернативой для определенных применений.

3. Литье или формование силикона с использованием 3D-печатных форм: Быстрая оснастка с помощью 3D-печати может заполнить пробел между прототипированием и массовым производством силиконовых деталей традиционными методами.

Прямая 3D-печать силиконом

В то время как большинство технологий 3D-печати существуют много лет или даже десятилетий, силиконовые 3D-принтеры долгое время оставались относительно экспериментальной областью из-за сложности печати силиконом. За последние несколько лет некоторые компании вывели на рынок силиконовые 3D-принтеры, но эти решения имели определенные ограничения наряду с чрезмерно высокой стоимостью (свыше 100 000 долларов), что делало их неподходящими для большинства компаний и применений.

В 2023 году Formlabs представила Silicone 40A Resin — первый доступный 100% чистый силиконовый материал для 3D-печати, ставший возможным благодаря запатентованной технологии Pure Silicone Technology™, которая сочетает выдающиеся свойства литого силикона и преимущества 3D-печати.

Решение основано на доступной (от 3 499 $) и универсальной (более 35+ дополнительных материалов) экосистеме стереолитографических (SLA) 3D-принтеров Form 4 для производства 100% силиконовых деталей собственными силами за несколько часов.

Детали из Silicone 40A Resin, с твердостью 40А по Шору, относительным удлинением при разрыве 230% и прочностью на разрыв 12 кН/м, идеальны для применений, требующих гибкости и долговечности даже при многократном растяжении, изгибе или сжатии. Детали имеют упругое восстановление 34%, отличную химическую и термическую стойкость (-25°C до 125°C) и могут иметь мелкие детали размером до 0,3 мм и сложные формы, которые сложно достичь традиционными методами.

Прямая 3D-печать силиконом с Silicone 40A Resin идеальна для широкого спектра применений:

• Быстрое прототипирование, бета-тестирование и валидация на этапах цикла разработки продукции.

• Экономичное мелкосерийное или кастомное производство.

• Качественные, долговечные производственные оснастки и инструменты.

• Компоненты медицинских устройств.

• Детали сложной геометрии.

Примеры использования:

• FINIS, Inc. напечатала уплотнители для плавательных очков, аналогичные по качеству серийным, всего за восемь часов и по $10 за штуку, что значительно дешевле и быстрее аутсорсингового литья из уретана.

• 

• Dorman Products использует силиконовую 3D-печать для производства кастомных прокладок для тестирования новых продуктов, drastically сократив время и затраты.

• 

• HGM Automotive Electronics квалифицировала детали из Silicone 40A Resin для серийного использования в автомобильных деталях после rigorous тестов.

• 

3D-печать материалами со свойствами, подобными силикону

Производители часто выбирают силиконы из-за их эластичности и гибкости. Силиконы обычно имеют твердость от 10А до 80А по Шору. Распространенные процессы 3D-печати, такие как FDM, SLA и SLS, предлагают различные материалы в этом диапазоне твердости.

Альтернативы силикону для FDM 3D-печати
Наиболее гибкими материалами для FDM являются термопластичные полиуретаны (TPU) и термопластичные эластомеры (TPE) с твердостью от Shore 45A до 90A.

• Плюсы: Доступность принтеров и материалов.

• Минусы: Низкая точность, разрешение, прочность деталей, ограниченная свобода дизайна. Материалы обычно менее долговечны, не безопасны для пищевых продуктов, имеют более низкую термостойкость и ограниченные варианты цвета/прозрачности.

Альтернативы силикону для SLA 3D-печати
SLA-печать популярна благодаря высокой точности и широкому ассортименту материалов.

• Плюсы: Гладкая поверхность, высокая точность, свобода дизайна.

• Минусы: Ограниченная долговечность по сравнению с силиконом, не безопасны для пищевых продуктов, не биосовместимы (но могут быть безопасны для кожи), lower термостойкость.

Примеры материалов Formlabs:

• Elastic 50A Resin: Мягкий материал для прототипирования деталей, которые будут гнуться, растягиваться, сжиматься.

• Flexible 80A Resin: Жесткий материал с мягким касанием для имитации твердых силиконов.

• Rebound Resin (86A): Упругий материал с высокой прочностью на разрыв и удлинением для серийных деталей.

• 

Альтернативы силикону для SLS 3D-печати
SLS — наиболее распространенная технология для промышленных применений.

• Плюсы: Высокая точность, производительность, свобода дизайна, долговечность, износостойкость, наивысшая термостойкость среди пластиковых процессов, могут быть биосовместимы и безопасны для пищевых продуктов после постобработки.

• Минусы: Ограниченные варианты цвета и прозрачности, тонкостенные детали могут warped.

Пример материала: TPU 90A Powder для принтеров Formlabs Fuse Series — прочный эластомер для гибких, безопасных для кожи прототипов и серийных деталей.

Литье или формование силикона с использованием 3D-печатных форм

Для тех, кто хочет производить чистые силиконовые детали с уникальными свойствами, 3D-печать может помочь заполнить пробел между прототипированием и массовым производством.

Традиционное изготовление оснастки связано с высокими первоначальными затратами и длительными сроками поставки. Внедрение быстрой оснастки (Rapid Tooling) в процессе разработки продукта позволяет компаниям валидировать дизайн до перехода к массовому производству.

Примеры применения:

1. Инжекционное литье и литье в оболочку (Insert Molding):

   • Google ATAP использовала 3D-печатные детали-заменители для настройки оснастки, сэкономив более $100 000 и сократив цикл тестирования с трех недель до трех дней.

   • Dame Products и Psyonic используют силиконовое литье в оболочку для создания бета-прототипов и серийных пальцев для протезов соответственно.

   • 

   • 

2. Компрессионное формование:

   • OXO использует 3D-печатные формы для прототипирования резиновых компонентов методом компрессионного формования двухкомпонентного силикона.

   • 

3. Литье (Casting):

   • Cosm производит пациент-специфичные пессарии, вливая биосовместимый силикон медицинского класса в 3D-печатные формы.

   • 

   • Аудиология: Производство кастомных ушных вкладышей с помощью 3D-печати революционизирует эту область, сокращая количество ошибок.

   • 

   • Индустрия развлечений: Dreamsmith Studio создала гиперреалистичные силиконовые реплики для сериала «Воспитанные волками» с использованием 3D-печатных форм.

   • 

Сравнение процессов 3D-печати силиконом и альтернатив