Công nghệ in 3D silicone

Ngày nay, sản xuất phụ gia không chỉ có thể được sử dụng để tạo mẫu mà còn có tiềm năng lớn trong sản xuất tiền loạt và sản xuất bộ phận nối tiếp. Đối với các thành phần được in 3D, đặc tính của vật liệu là rất quan trọng.

Trong lĩnh vực này, các bộ phận được in 3D chỉ có thể cạnh tranh với các bộ phận được sản xuất truyền thống nếu chúng có cùng tính chất cơ học và hóa học. Tính tương thích sinh học, khả năng chịu nhiệt, độ đàn hồi cao và các yêu cầu khác khiến silicone không thể thiếu trong nhiều ứng dụng. Vì vậy, người ta mong muốn kết hợp những ưu điểm của sản xuất phụ gia với các vật liệu như silicon. Tuy nhiên, quá trình sản xuất phụ gia của silicone không hề đơn giản. Bài viết này liệt kê các phương pháp và quy trình dựa trên đùn khác nhau, hiển thị chi tiết các cơ chế liên kết chéo khác nhau và những ưu nhược điểm tương ứng của chúng.

In 3D silicone: một quy trình dựa trên đùn

Một ưu điểm quyết định của quá trình đùn là có thể xử lý nhiều loại chất lỏng và bột nhão, bao gồm hầu hết tất cả các loại polysiloxan: từ độ nhớt thấp đến độ nhớt cao, từ RTV (Lưu hóa nhiệt độ phòng) đến LSR tiêu chuẩn (Cao su silicone lỏng) UV silicone có thể chữa khỏi và chứa đầy hạt. Quy trình sản xuất đùn rất giống với in FLM (Fused Layer Modeling), trong đó vật liệu được đùn qua đầu in và lắng đọng từng lớp. Quy trình hai thành phần LSR và RTV silicone sẽ được phát triển bên dưới. LSR yêu cầu năng lượng nhiệt cho liên kết ngang, trong khi silicone RTV có thể phản ứng ở nhiệt độ phòng.

△ Quy trình sản xuất phụ gia lỏng (LAM) hơi giống FDM, là một công nghệ ép đùn vật liệu. Mỗi lớp được ép đùn, nhưng nó khác với các phương pháp như FFF và FDM vì nguyên liệu thô sẽ không tan chảy trong quá trình này. Ngược lại, vật liệu LAM là chất lỏng khi nó được lắng đọng, và chất lỏng được lưu hóa bằng cách tiếp xúc với nhiệt để vật liệu được lưu hóa nhiệt và liên kết chéo. Quá trình này cho phép vật liệu duy trì các đặc tính cơ học của nó và tạo ra nhiều ứng dụng mới. In 3D LAM có thể làm cho các bộ phận có các đặc tính gần giống như các bộ phận được đúc phun, và có giá trị ứng dụng cao trong y tế, giày dép và các vật liệu linh hoạt.

LSR liên kết chéo

In silicone liên quan đến vật liệu lỏng. Do đó, các thông số quá trình quyết định là độ ổn định kích thước và liên kết chéo của silicone. Điều quan trọng nữa là độ bền của silicone thành phẩm chỉ có thể đạt được thông qua phản ứng hóa học của vật liệu, chẳng hạn như thông qua trùng hợp bổ sung hoặc trùng hợp ngưng tụ. Về cơ bản, LSR silicone có sự khác biệt giữa các thời gian liên kết ngang khác nhau: liên kết ngang trong quá trình sản xuất và liên kết ngang sau khi xử lý hoặc sau xử lý.

Liên kết ngang trong quá trình sản xuất:

Nền tảng xây dựng hệ thống sưởi: Đệm nóng trong máy sản xuất phụ gia có thể cung cấp năng lượng liên kết nhiệt. Tùy thuộc vào thời gian phản ứng của silicone, liên kết chéo có thể xảy ra trong vòng vài giây sau khi được đùn trên một tấm đệm đã được làm nóng.

Tuy nhiên, quá trình này có một nhược điểm quyết định: sự phân bố nhiệt độ thay đổi theo chiều cao của thành phần. Điều này là do lớp càng xa nền xây dựng, nó cung cấp càng ít nhiệt. Điều này có nghĩa là rất khó để đạt được một quy trình ổn định và đáng tin cậy cho các thành phần đa lớp. Kinh nghiệm cho thấy không còn khả thi khi sử dụng hệ thống giường nóng để chế tạo các cấu kiện lớn hơn 2 đến 3 cm.

Liên kết ngang từng lớp: Nhiệt đầu vào từng thành phần từ phía trên có thể đạt được liên kết ngang đồng nhất của bất kỳ số lớp nào. Nó được làm nóng trực tiếp trong quá trình in, vì vậy các thành phần có thể được sử dụng ngay sau khi in. Phương pháp này yêu cầu một nguồn nhiệt bổ sung, chẳng hạn như đèn hồng ngoại. Hơn nữa, cường độ và thời gian tiếp xúc phải được điều chỉnh cho phù hợp với lớp tương ứng, điều này làm cho toàn bộ quá trình sản xuất trở nên tốn kém và phức tạp hơn.

Liên kết chéo trong xử lý sau:

Một phương pháp khác là sử dụng các đặc tính lưu biến của vật liệu và sử dụng silicone có thể giữ nguyên hình dạng sau khi đùn. Điều này có thể đạt được nhờ độ nhớt cao hoặc độ thixotropy cao của silicone hoặc kết hợp cả hai. Các bộ phận hoàn thiện làm bằng silicone LSR được đặt trong lò ở giai đoạn xử lý sau và được liên kết chéo ở nhiệt độ thích hợp. Đồng thời, nhiệt lượng đầu vào không được gây ra bất kỳ biến dạng nào của các bộ phận. Trong quá trình này, không cần sử dụng thêm thiết bị cung cấp nhiệt trong quá trình in.

Tài liệu hỗ trợ

Đối với các kết cấu nhô ra hoặc cầu nối (biên dạng kín), các kết cấu hỗ trợ phải được xây dựng để chế tạo. Vật liệu hỗ trợ này phải bám dính với silicone trong quá trình sản xuất và chịu được các điều kiện nhiệt trong quá trình liên kết ngang. Sau đó, nó phải được dễ dàng loại bỏ khỏi bộ phận đã hoàn thiện. Tuy nhiên, việc tìm kiếm vật liệu hỗ trợ phù hợp cho từng loại silicone là một thách thức, và việc xây dựng cấu trúc hỗ trợ đòi hỏi phải sử dụng thêm vật liệu và thời gian trong quá trình sản xuất.

RTV: làm bằng hydrogel

Nhưng có một quy trình cho phép tự do thiết kế mà không cần sử dụng các kết cấu hỗ trợ: sản xuất bằng các vật liệu khác nhau. Vì mục đích này, một cây kim dài có thể được sử dụng để đùn nhựa silicone vào một hộp chứa có chứa" vật liệu hỗ trợ" ;. Vật liệu hỗ trợ này có thể là, ví dụ, bột hoặc hydrogel. Quá trình được hiển thị trong hình:

△ In 3D silicone: quy trình sản xuất bên trong hydrogel

Trong bước đầu tiên, silica gel (màu cam) được đùn vào vật liệu hỗ trợ (màu xanh lam), và các sợi đùn được cố định bởi vật liệu xung quanh. Sau khi cấu trúc mong muốn được hình thành và silicone được liên kết chéo, thành phần có thể được lấy ra khỏi vật liệu bằng nhíp. Cuối cùng, loại bỏ hoặc đơn giản là rửa sạch cặn của vật liệu hỗ trợ. Các silicon RTV đặc biệt thích hợp cho quá trình này vì chúng liên kết chéo trong một khoảng thời gian ngắn (30 đến 60 phút). Sau khi loại bỏ các thành phần, vật liệu hỗ trợ có thể được sử dụng trở lại.

△ Cấu trúc DNA làm bằng silica gel, được sản xuất như một thành phần in 3D trong hydrogel.

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là mức độ tự do thiết kế cao. Nó không bị giới hạn bởi những phần nhô ra dốc cũng như không bị giới hạn bởi những cây cầu. Ví dụ, cấu trúc chuỗi xoắn kép DNA trong hình được in bằng kim 0,3 mm. Cho đến nay, rất khó để hoàn thành kết nối tốt giữa các đường xoắn ốc bằng cách sử dụng các quy trình khác. Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ này là cần một lượng lớn vật liệu hỗ trợ để sản xuất các thành phần lớn hơn và thường không thể sản xuất vật liệu LSR bằng quy trình này.

Tóm tắt-In 3D silicone

Do có nhiều quy trình sản xuất dựa trên ép đùn, hầu hết tất cả các thành phần đều có thể được sản xuất bằng silica gel. Tùy thuộc vào hình dạng yêu cầu và loại silicone, quy trình thích hợp có thể được lựa chọn. Cơ sở và tiêu chí cho một quá trình sản xuất thành công luôn là việc phân phối silicone chính xác và có thể lặp lại. Tuy nhiên, tiềm năng của in 3D silicone còn lâu mới cạn kiệt. Đặc biệt với việc sử dụng các công nghệ mới, chẳng hạn như các vật liệu hỗ trợ mới (chẳng hạn như hydrogel), Antarctic Bear tin rằng nhiều thiết kế mới vẫn đang trên đà phát triển.