เทคโนโลยีการพิมพ์ซิลิโคน 3 มิติ

ทุกวันนี้ การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุไม่เพียงแต่สามารถนำมาใช้สำหรับการสร้างต้นแบบเท่านั้น แต่ยังมีศักยภาพที่ดีในการผลิตพรีซีรีส์และการผลิตชิ้นส่วนต่อเนื่องอีกด้วย สำหรับส่วนประกอบที่พิมพ์ 3 มิติ คุณสมบัติของวัสดุเป็นสิ่งสำคัญ

ในสาขานี้ ชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติสามารถแข่งขันกับชิ้นส่วนที่ผลิตแบบดั้งเดิมได้ก็ต่อเมื่อมีคุณสมบัติทางกลและทางเคมีเหมือนกัน ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ ทนความร้อน ความยืดหยุ่นสูง และข้อกำหนดอื่นๆ ทำให้ซิลิโคนขาดไม่ได้ในการใช้งานหลายอย่าง ดังนั้น ผู้คนต่างตั้งตารอที่จะรวมข้อดีของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุเข้ากับวัสดุอย่างเช่น ซิลิกอน อย่างไรก็ตาม กระบวนการผลิตสารเติมแต่งของซิลิโคนนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย บทความนี้แสดงวิธีการและกระบวนการที่ใช้การอัดรีดแบบต่างๆ โดยแสดงรายละเอียดเกี่ยวกับกลไกการเชื่อมขวางต่างๆ รวมถึงข้อดีและข้อเสียตามลำดับ

การพิมพ์ซิลิโคน 3 มิติ: กระบวนการอัดขึ้นรูป

ข้อได้เปรียบที่ชัดเจนของกระบวนการอัดรีดคือความหลากหลายของของเหลวและน้ำพริกที่สามารถนำไปแปรรูปได้ รวมถึงโพลีซิลอกเซนเกือบทั้งหมด: ตั้งแต่ความหนืดต่ำไปจนถึงความหนืดสูง จาก RTV (การวัลคาไนซ์ที่อุณหภูมิห้อง) ไปจนถึง LSR มาตรฐาน (ยางซิลิโคนเหลว) UV ซิลิโคนที่รักษาได้และเต็มไปด้วยอนุภาค กระบวนการผลิตการอัดรีดมีความคล้ายคลึงกับการพิมพ์ FLM (Fused Layer Modeling) โดยที่วัสดุจะถูกอัดรีดผ่านหัวพิมพ์และวางชั้นทีละชั้น LSR สององค์ประกอบและกระบวนการซิลิโคน RTV จะได้รับการพัฒนาด้านล่าง LSR ต้องการพลังงานความร้อนสำหรับการเชื่อมขวาง ในขณะที่ซิลิโคน RTV สามารถทำปฏิกิริยาได้ที่อุณหภูมิห้อง

△กระบวนการผลิตสารเติมแต่งเหลว (LAM) คล้ายกับ FDM ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการอัดรีดวัสดุ แต่ละชั้นถูกรีดออกมา แต่จะแตกต่างจากวิธีการเช่น FFF และ FDM เนื่องจากวัตถุดิบจะไม่ละลายในกระบวนการ ในทางตรงกันข้าม วัสดุ LAM จะเป็นของเหลวเมื่อมีการสะสม และของเหลวจะถูกวัลคาไนซ์โดยการสัมผัสความร้อนเพื่อให้วัสดุนั้นบ่มด้วยความร้อนและเชื่อมขวาง กระบวนการนี้ช่วยให้วัสดุสามารถรักษาคุณสมบัติทางกลและสร้างการใช้งานใหม่ๆ ได้มากมาย การพิมพ์ 3 มิติด้วย LAM สามารถทำให้ส่วนประกอบมีลักษณะเกือบเหมือนกับชิ้นส่วนฉีดขึ้นรูป และมีคุณค่าในการใช้งานสูงในด้านการแพทย์ รองเท้า และวัสดุที่ยืดหยุ่น

LSR . แบบเชื่อมขวาง

การพิมพ์ซิลิโคนเกี่ยวข้องกับวัสดุที่เป็นของเหลว ดังนั้น พารามิเตอร์กระบวนการที่เด็ดขาดคือความเสถียรของมิติและการเชื่อมขวางของซิลิโคน สิ่งสำคัญคือความแข็งแรงของซิลิโคนที่ทำเสร็จแล้วสามารถทำได้โดยผ่านปฏิกิริยาเคมีของวัสดุเท่านั้น เช่น ผ่านการเติมโพลิเมอไรเซชันหรือการควบแน่นของโพลิเมอไรเซชัน โดยพื้นฐานแล้ว ซิลิโคน LSR มีความแตกต่างระหว่างเวลาในการเชื่อมขวางที่ต่างกัน: การเชื่อมโยงข้ามระหว่างการผลิตและการเชื่อมโยงข้ามหลังการประมวลผลหรือหลังการประมวลผล

การเชื่อมขวางในกระบวนการผลิต:

แท่นสร้างความร้อน: แหล่งเพาะในเครื่องผลิตสารเติมแต่งสามารถให้พลังงานเชื่อมขวางด้วยความร้อน ขึ้นอยู่กับเวลาปฏิกิริยาของซิลิโคน การเชื่อมขวางอาจเกิดขึ้นได้ภายในไม่กี่วินาทีหลังจากถูกอัดรีดบนเตาที่ให้ความร้อน

อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้มีข้อเสียอย่างแน่ชัด: การกระจายอุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงตามความสูงของส่วนประกอบ เนื่องจากยิ่งเลเยอร์อยู่ห่างจากแท่นสร้างมากเท่าใด ก็จะยิ่งให้ความร้อนน้อยลงเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุกระบวนการที่เชื่อถือได้และสม่ำเสมอสำหรับส่วนประกอบหลายชั้น ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าไม่สามารถใช้ระบบเตียงร้อนเพื่อผลิตชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่กว่า 2 ถึง 3 ซม. ได้อีกต่อไป

การเชื่อมขวางแบบชั้นต่อชั้น: การป้อนความร้อนไปยังส่วนประกอบแต่ละส่วนจากด้านบนสามารถทำให้เกิดการเชื่อมโยงข้ามที่สม่ำเสมอของชั้นจำนวนเท่าใดก็ได้ มันถูกให้ความร้อนโดยตรงระหว่างการพิมพ์ ดังนั้นส่วนประกอบจึงสามารถใช้งานได้ทันทีหลังจากพิมพ์ วิธีนี้ต้องใช้แหล่งความร้อนเพิ่มเติม เช่น หลอดอินฟราเรด นอกจากนี้ ความเข้มและเวลาในการเปิดรับแสงจะต้องปรับให้เข้ากับชั้นที่เกี่ยวข้อง ซึ่งทำให้กระบวนการผลิตทั้งหมดมีราคาแพงและซับซ้อนมากขึ้น

การเชื่อมขวางหลังการรักษา:

อีกวิธีหนึ่งคือการใช้คุณสมบัติทางรีโอโลยีของวัสดุและใช้ซิลิโคนที่สามารถคงรูปร่างไว้ได้หลังจากการอัดรีด สิ่งนี้สามารถทำได้โดยความหนืดสูงหรือ thixotropy สูงของซิลิโคนหรือทั้งสองอย่างรวมกัน ชิ้นส่วนสำเร็จรูปที่ทำจากซิลิโคน LSR จะวางลงในเตาอบในขั้นตอนหลังการประมวลผล และเชื่อมขวางที่อุณหภูมิที่เหมาะสม ในเวลาเดียวกัน ความร้อนที่ป้อนเข้าจะต้องไม่ทำให้เกิดการเสียรูปของชิ้นส่วน ในกระบวนการนี้ ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมเพื่อให้ความร้อนระหว่างกระบวนการพิมพ์

วัสดุสนับสนุน

สำหรับโครงสร้างที่ยื่นออกมาหรือต่อประสาน (โปรไฟล์ปิด) จะต้องสร้างโครงสร้างรองรับสำหรับการผลิต วัสดุรองรับนี้ควรยึดติดกับซิลิโคนในระหว่างกระบวนการผลิตและทนต่อสภาวะทางความร้อนระหว่างกระบวนการเชื่อมขวาง หลังจากนั้นจะต้องถอดออกจากส่วนที่เสร็จแล้วอย่างง่ายดาย อย่างไรก็ตาม การหาวัสดุรองรับที่เหมาะสมสำหรับซิลิโคนแต่ละประเภทถือเป็นเรื่องท้าทาย และการสร้างโครงสร้างรองรับต้องใช้วัสดุและเวลาเพิ่มเติมในกระบวนการผลิต

RTV: ทำในไฮโดรเจล

แต่มีกระบวนการที่ทำให้การออกแบบมีอิสระโดยไม่ต้องใช้โครงสร้างรองรับ นั่นคือ การผลิตในวัสดุต่างๆ เพื่อจุดประสงค์นี้ สามารถใช้เข็มยาวเพื่ออัดซิลิโคนเรซินลงในภาชนะที่มี"วัสดุรองรับ" วัสดุสนับสนุนนี้สามารถเป็น ตัวอย่างเช่น ผงหรือไฮโดรเจล กระบวนการนี้แสดงในรูป:

△การพิมพ์สามมิติด้วยซิลิโคน: กระบวนการผลิตภายในไฮโดรเจล

ในขั้นตอนแรก ซิลิกาเจล (สีส้ม) จะถูกอัดเข้าไปในวัสดุรองรับ (สีน้ำเงิน) และเส้นที่อัดออกมาจะได้รับการแก้ไขโดยวัสดุโดยรอบ หลังจากที่ได้โครงสร้างที่ต้องการแล้วและซิลิโคนถูกเชื่อมขวาง ส่วนประกอบสามารถถอดออกจากวัสดุได้ด้วยแหนบ สุดท้าย ให้เอาหรือเพียงแค่ล้างสิ่งตกค้างของวัสดุรองรับออก ซิลิโคน RTV เหมาะอย่างยิ่งสำหรับกระบวนการนี้เนื่องจากเชื่อมขวางในระยะเวลาอันสั้น (30 ถึง 60 นาที) หลังจากถอดส่วนประกอบแล้ว คุณสามารถใช้วัสดุรองรับได้อีกครั้ง

△ โครงสร้าง DNA ทำจากซิลิกาเจล ผลิตขึ้นเป็นส่วนประกอบการพิมพ์ 3 มิติในไฮโดรเจล

ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดของวิธีนี้คืออิสระในการออกแบบในระดับสูง ไม่ได้ถูกจำกัดด้วยส่วนยื่นที่สูงชันหรือจำกัดโดยสะพาน ตัวอย่างเช่น โครงสร้างเกลียวคู่ของ DNA ในภาพพิมพ์ด้วยเข็มขนาด 0.3 มม. จนถึงตอนนี้ เป็นการยากที่จะทำให้การเชื่อมต่อที่ดีระหว่างเกลียวเกลียวสมบูรณ์โดยใช้กระบวนการอื่น อย่างไรก็ตาม ข้อเสียของเทคโนโลยีนี้คือต้องใช้วัสดุรองรับจำนวนมากในการผลิตส่วนประกอบที่มีขนาดใหญ่ขึ้น และโดยปกติแล้วจะไม่สามารถผลิตวัสดุ LSR โดยใช้กระบวนการนี้ได้

สรุป-การพิมพ์ 3 มิติซิลิโคน

เนื่องจากกระบวนการผลิตที่ใช้การอัดรีดที่หลากหลาย ทำให้ส่วนประกอบเกือบทั้งหมดสามารถผลิตได้ด้วยซิลิกาเจล ขึ้นอยู่กับรูปทรงและประเภทของซิลิโคนที่ต้องการ สามารถเลือกกระบวนการที่เหมาะสมได้ พื้นฐานและหลักเกณฑ์สำหรับกระบวนการผลิตที่ประสบความสำเร็จคือการจ่ายซิลิโคนที่แม่นยำและทำซ้ำได้เสมอ อย่างไรก็ตาม ศักยภาพของการพิมพ์ซิลิโคน 3 มิติยังห่างไกลจากที่สิ้นสุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งด้วยการใช้เทคโนโลยีใหม่ เช่น วัสดุรองรับใหม่ (เช่น ไฮโดรเจล) แอนตาร์กติกแบร์เชื่อว่าการออกแบบใหม่ ๆ ยังคงอยู่ในระหว่างดำเนินการ