SILIKON-3D-DRUCK : WIE UND WARUM SILIKON DRUCKEN?

Lynxter, Pionier und Marktführer im Bereich des modularen 3D-Drucks, berichtet vom Erfolg des Silikon-3D-Drucks: Warum Silikon als Material gewählt wird, welche Vorteile es bietet, wie das Extrusionsverfahren im Vergleich zu herkömmlichen Methoden abschneidet und welche Anwendungen es in der Industrie 4.0 ermöglicht. In diesem Artikel erfahren Sie, wie das Forschungs- und Entwicklungsteam von Lynxter Grundlagen definiert und täglich experimentiert, um die Grenzen des 3D-Drucks mit flüssigen Materialien zu erweitern und neue Maßstäbe zu setzen.

Druck von Dichtungen aus RTV2-Silikon

Üblicherweise werden flüssige Materialien durch Gießverfahren in eine bestimmte Form gebracht. Solche Verfahren sind für große Stückzahlen interessant, die Herstellung einer Gussform ist jedoch in der Regel langwierig und teuer. Für diese Art der Produktion sind Gießverfahren zwar durchaus tragfähig, dennoch sind die Möglichkeiten der Formgebung sehr begrenzt, da es nicht möglich ist, hohle, gewichts- oder härteoptimierte Teile herzustellen. Der Silikon-3D-Druck bietet dann eine neue, interessante Alternative, um die Bandbreite an Formen und Elastizitätseigenschaften zu erweitern.

Silikon

Definition: Was genau ist Silikon?

Silikon ist die gebräuchliche Bezeichnung für Polysiloxan. Es handelt sich um Polymerketten, die hauptsächlich aus Silizium, Sauerstoff und organischen Verbindungen bestehen. Die Bindungen zwischen den Sauerstoff- und Siliziumatomen bewirken eine hohe Mobilität dieser Polymerketten, was sich in einer starken Verformbarkeit des Materials bei Raumtemperatur niederschlägt.
Diese Polymerfamilie zeichnet sich durch hohe chemische Beständigkeit sowie hervorragende physikalische und mechanische Eigenschaften aus.

Silikon gibt es in verschiedenen Zuständen, je nach der Struktur seiner Makromoleküle, der Größe und der Größenverteilung der Ketten, aus denen es besteht. Es gibt Silikonöle und -gummis (die als Zusatzstoffe, Schmiermittel, Hydraulikflüssigkeiten verwendet werden), Gele (die z. B. in Brustprothesen, Fahrradsätteln verwendet werden) und schließlich Elastomere. Silikonelastomere sind die am häufigsten verwendete Silikonart.

Was genau ist ein Elastomer?

Es handelt sich um den vernetzten Zustand des Silikons (dichtes dreidimensionales Netz aus Silikonketten), durch den die bekannten elastischen Eigenschaften des Silikons zustande kommen.

Vernetzungsreaktion

Es ist möglich, der Formulierung verstärkende Füllstoffe und Additive hinzuzufügen, mit denen die mechanischen oder thermischen Eigenschaften des Elastomers verbessert werden können. Es gibt mehrere Kategorien von Silikonelastomeren, je nach Vernetzung:

·         Kaltvulkanisierbare Elastomere (RTV)

RTV1 (Room Temperature Vulcanization Mono-Component) ist eine recht zähflüssige Einkomponentenflüssigkeit, die bei Kontakt mit Luftfeuchtigkeit allmählich vernetzt. Die Vernetzung dieser Silikone findet bei Raumtemperatur statt und kann Nebenprodukte (z. B. Essigsäure) freisetzen, was ihre Verwendung einschränkt. Die häufigsten Anwendungen dieser Elastomere sind Klebstoffe, Haftmittel, Dichtungsmassen und Dichtungen, die per Hand aufgetragen werden (z. B. im Badezimmer).

RTV2 (Room Temperature Vulcanization bi-component) bestehen aus zwei verhältnismäßig flüssigen Komponenten. Die Vernetzung dieser Silikone erfolgt durch Vermischen der beiden Komponenten bei Raumtemperatur. Aufgrund seiner geringen Viskosität ist es allgemein leicht zu verarbeiten, besonders bei Spritzgussverfahren oder auch bei der Anfertigung von Abdrücken. Es setzt keine Nebenprodukte frei und ist daher sehr interessant für den medizinischen Bereich. Es eignet sich für Anwendungen mit Hautkontakt oder sogar im Lebensmittelbereich. 2023 entwickelte Lynxter SIL-001, das erste druckfähige RTV2-Silikon mit 50 SHA.

Druck von 27 RTV2-Silikonteilen für die industrielle Oberflächentechnik auf dem S300X in nur 30 Minuten

·         Heißvulkanisierbare Elastomere (HTV)

HCR (High Consistency Rubber) bzw. Festsilikon ist ein pastenartiger Block aus ein- oder zweikomponentigem Silikon, das unter Druck und hohen Temperaturen vernetzt. Traditionell wird diese Silikonart mithilfe von Rollenmischern oder Kalandern zu einem Silikon mit hoher Reiß- und Bruchfestigkeit sowie guter Alterungsbeständigkeit verarbeitet. Dadurch eignet es sich besonders für industrielle Anwendungen (Dichtungen, Rohre, Kabelschutz).

LSR (Liquid Silicon Rubber) bzw. Flüssigsilikon besteht aus zwei flüssigen, verhältnismäßig viskosen Komponenten, die gemischt und dann erhitzt werden müssen, um die Vernetzungsreaktion auszulösen. Dieses Silikonelastomer besitzt sehr gute mechanische Eigenschaften und deckt einen großen Härtebereich ab. Er eignet sich sehr gut für Anwendungen, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen oder für medizinische Anwendungen.

Von allen existierenden technischen Elastomeren ist Silikon aufgrund seiner sehr guten Temperaturbeständigkeit (durchschnittlich -50°C bis 250°C) und seiner chemischen Trägheit, welche eine Verwendung in anspruchsvollen Umgebungen ermöglicht, besonders vorteilhaft: bei Kontakt mit Lösungsmitteln, Kohlenwasserstoffen, aber auch bei Kontakt mit der Haut oder mit Lebensmitteln.

 

 

Vergleich der Beständigkeit von RTV2-Silikon und TPU gegenüber Aceton-Lösungsmitteln

 

3D-Druck mit flüssigen Materialien per MEX-Verfahren

Wie flüssige Materialien drucken?

Lynxter entwickelt seit 2016 verschiedene Drucktechnologien für den modularen 3D-Drucker S600D: Extrusion von thermoplastischen Filamenten, gefüllten Pasten und Ein- und Zweikomponentenflüssigkeiten. Zwei der von Lynxter entwickelten Druckköpfe ermöglichen den 3D-Druck mit flüssigen Materialien: Der Druckkopf LIQ11 druckt Einkomponentenflüssigkeiten (z. B. RTV1), der Druckkopf LIQ21 Zweikomponentenflüssigkeiten (z. B. RTV2 oder LSR), die miteinander vermischt werden müssen, um von einem flüssigen in einen festen Zustand überzugehen.

Druckkopf LIQ21 für flüssige Materialien in Kombination mit dem Drucker S600D

Die zu druckende Flüssigkeit muss zunächst in Kolbenspritzen abgefüllt werden, die an die Düse angeschlossen werden. Die Lynxter Druckköpfe für Flüssigkeiten sind mit volumetrischen Dosierpumpen ausgestattet, die eine hohe Genauigkeit beim Aufbringen und Dosieren ermöglichen. Die unter Druck stehenden Spritzen (Druckluft) führen diesen Pumpen das Material zu. Diese dosieren die Menge an Druckmaterial und transportieren es weiter. Das Druckmaterial wird daraufhin mithilfe einer am Pumpenausgang angeschlossenen Präzisionsdüse abgegeben. Zwischen Pumpe und Düse befindet sich am Druckkopf LIQ21 ein statischer Mischer, der die beiden zu druckenden Flüssigkomponenten zu einer homogenen Masse vermischt.
Das Prinzip dieses additiven Fertigungsverfahrens entspricht dem FFF/FDM/MEX-Verfahren: Die Stränge werden nacheinander, Schicht für Schicht, aufgetragen, bis das zu druckende Objekt vollständig aufgebaut ist.

Allerdings ist der abgelegte Strang am Ausgang der Düse nicht erstarrt (wie bei Thermoplasten, die am Ausgang der Extrusion durch Abkühlen erstarren): Die gedruckte Flüssigkeit wird mit einer spezifischen Rheologie formuliert, so dass das Material schichtweise übereinander gelegt werden kann, ohne in sich zusammenzufallen. Die Vernetzungsreaktion findet während und nach dem Druckvorgang statt, sie bewirkt, dass das bereits geformte Material „erstarrt“. Nach dem Vernetzungsprozess erhält das Werkstück seine endgültigen physikalisch-chemischen Eigenschaften.

Daher sind flüssige Materialien, die mithilfe dieser Technologie gedruckt werden können, hauptsächlich wärmehärtend (Elastomer-Verhalten bei Silikonen).

 

 

3D-Druck von RTV2- und RTV1-Silikon mit den Druckköpfen LIQ11 und LIQ21

 

Silikon-3D-Druck

Lynxter, Experte für additive Fertigung mit Silikon

Ein Vorteil der 3D-Drucktechnologie ist ihre schnelle Reaktionsfähigkeit. Im Fall von Silikon ermöglicht sie die Herstellung von dringend benötigten Ersatzteilen, für Wartungsarbeiten oder bei Lieferengpässen. Die auf diese Weise gefertigten Teile bestehen aus „gutem Material“ und sind daher unmittelbar funktionstüchtig, wenn sie aus dem Drucker kommen.
Da keine Spritzgussform vorab hergestellt werden muss, ist die Iteration beim Design der Teile einfacher, schneller und damit kostengünstiger. Mit Hilfe der CAD-Softwarekönnen Sie ggf. auch das Gewicht des fertigen Teils durch Anpassung des Füllgrads und des Füllmusters verringern.

 

 

Sauggreifer aus RTV2-Silikon

Silikonteile, die durch additive Fertigung auf dem Silikon-3D-Drucker S600D und S300X hergestellt werden, haben gleichwertige mechanische Eigenschaften wie Teile, die mit Spritzguss- bzw. Gießverfahren produziert werden. Beim Drucken von flüssigem Material werden kovalente Bindungen zwischen den Schichten gebildet, wodurch völlig isotrope Teile entstehen.

Der Silikon-3D-Druck eignet sich hervorragend für die Herstellung von maßgefertigten Teilen und erleichtert im medizinischen Bereich die Behandlung und Betreuung von Patienten. Es ist möglich, medizinische Hilfsmittel mittels der CAD-Software anzupassen und nachzubearbeiten, ohne dass z. B. die Anfertigung einer neuen Form erforderlich ist.

Seit 2017 erweitert Lynxter kontinuierlich sein Know-how im Bereich der additiven Fertigung mit Silikon. Alle seither unternommenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden in enger Zusammenarbeit mit Materialpartnern durchgeführt und haben zur Entwicklung einer Reihe von Silikonmaterialien für den 3D-Druck geführt.

Lynxter hat Zugang zu einem Labor, das mit Geräten zur Materialformulierung und -verpackung ausgestattet ist, so dass die Materialentwicklung vereinfacht und beschleunigt werden kann. Für alle verfügbaren Lynxter Materialien werden Druckparameter bereitgestellt, die in der Slicing-Software verwendet werden können. Dank der Fachkompetenz von Lynxter in Sachen Material und Druckverfahren können wir schlüsselfertige Lösungen anbieten und unsere Kunden bei der Entwicklung ihrer Anwendungen begleiten.

Derzeit umfasst das Angebot an Silikonen, die mit dem S600D kompatibel sind, mehrere Härtegrade sowie RTV1- und RTV2-Silikone. Einige dieser Materialien besitzen spezielle Eigenschaften, sie sind z. B. für den Hautkontakt zugelassen (ISO 10993-5).

 

 

Die verschiedenen Härtegrade der Lynxter Silikone

 

Anwendungsfälle und Nutzungsmöglichkeiten des Silikon-3D-Druckes

Mittlerweile wird der Silikon-3D-Druck aufgrund der chemischen und thermischen Eigenschaften des Materials in vielen Branchen verwendet, insbesondere um maßgeschneiderte Teile oder Ersatzteile herzustellen.

 

 

Zeitraffer der Materialien, die mit dem Silikon-3D-Drucker S300X verarbeitet werden.

 

Ein Durchbruch für den medizinischen Bereich

Im medizinischen Bereich wird der Silikon-3D-Druck zur Herstellung von Halterungen für Hautnahttrainern, orthopädischen Teilen (Podologie, Orthopädie), medizinischen Implantaten wie Epithesen oder Hautschutzringen für Ostomiebeuteln verwendet.

Silikon-3D-Druck im medizinischen Bereich – Orthopädische Geräte

 

Verbesserte Reaktionsfähigkeit in der Industrie

In der Industrie kann diese Technologie im Bereich der Oberflächentechnik eingesetzt werden. Sie eignet sich außerdem für die Herstellung von maßgefertigten Dichtungen, die sämtlichen Anforderungen gerecht werden. Darüber hinaus können Greifer im Bereich der Soft Robotics entwickelt und gefertigt werden, die heute eine große Rolle bei der Erweiterung von Produktionslinien in der Industrie spielen.

Zangengreifer – Soft Roboter Schneider Electric

Neue Einsatzbereiche

Ebenso ist es möglich, Textilien durch das direkte Bedrucken ihrer Oberfläche zu personalisieren. So können ästhetische Herausforderungen in der Modebranche bewältigt oder bestimmte Funktionen, z. B. Rutschfestigkeit (Socken, Strümpfe) hinzugefügt werden. Der Textilbereich wird durch das Bedrucken von Textilien und/oder Leder mit Silikon völlig neu gestaltet.

3D-gedrucktes RTV2-Silikon auf Textilien

 

3D-gedruckte Tasche PRYSM Lynxter x Incxnnue

 

S300X: Silikon-3D-Druck mit Stützmaterial

Lynxter präsentiert den innovativen S300X, einen 3D-Drucker auf dem neuesten technologischen Stand.

Mit seiner innovativen IDEX-Technologie (Independent Dual Extruder) kann der S300X Silikone und Polyurethane für medizinische und industrielle Anwendungen drucken und unterstützt die Produktion von Teilen mit komplexen Formen und Designs.

Der S300X beschleunigt außerdem die Innovationen im Bereich des 3D-Drucks von Elastomeren. In Verbindung mit dem wasserlöslichen Stützmaterial SUP-001 können Anwender komplexe Formgeometrien ausprobieren. Mit der S300X möchte Lynxter zur Weiterentwicklung des Silikon-3D-Drucks beitragen, indem das Unternehmen neue Möglichkeiten eröffnet und den Fortschritt in diesem Bereich vorantreibt.

S300X – LIQ21 | LIQ11 – Imprimante 3D Silicone et polyuréthane

 

Drucken eines komplex geformten Silikonteils mit Stützmaterial

Mit seiner Technologie für den 3D-Druck von Flüssigsilikon setzt Lynxter neue Maßstäbe im Hinblick auf Formgebung und Anwendungsmöglichkeiten. Darauf aufbauend beabsichtigt Lynxter, die Bandbreite der druckbaren Silikone und Materialien (weiter) zu vergrößern, die Verpackungseinheiten zu diversifizieren und die Grenzen dieser Technologie kontinuierlich zu erweitern.

 

 

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