Alles, was Sie über den Silikon 3D-Druck wissen müssen

Im Bereich der additiven Fertigung ist mit der Einführung einer innovativen Technologie, die die Herstellung von 3D-Modellen aus Silikon ermöglicht, ein großer Durchbruch gelungen. Diese neue Technik hat in der 3D-Druckindustrie großes Interesse geweckt, da es bisher nicht möglich war, Silikon durch Hitze zu schmelzen und es Schicht für Schicht aufzutragen, wie es bei Polymeren oder Metallen der Fall ist. Die neuen Entwicklungen, insbesondere im Bereich der medizinischen Biomaterialien, tragen dazu bei, die Ergebnisse bestehender Behandlungen für Patienten zu verbessern. Darüber hinaus eröffnen sich dank des stetigen Fortschritts und der Ausgereiftheit der 3D-Drucktechnologie neue Möglichkeiten und Chancen, die bisher nicht möglich waren.

Der 3D-Druck von Silikon wird einen erheblichen Einfluss auf die Branche haben wird und einen wichtigen Meilenstein in der Entwicklung der 3D-Technologie darstellen. Laut einer Studie von Precision Business Insight wird der Markt für den 3D-Druck von Silikon im Jahr 2021 auf 1.590,3 Millionen US-Dollar geschätzt und soll bis 2028 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 19,9 % wachsen. Dieses Wachstum wird auch von 3D-Druckunternehmen angetrieben, die neue Silikon-kompatible Lösungen anbieten. In diesem Leitfaden werden wir uns näher mit Silikonen auseinandersetzen und die Anwendung des Materials in der additiven Fertigung genauer beleuchten.

Bild: Beamler

Silikon: Was ist es und wie wird es hergestellt?

Polysiloxan, allgemein bekannt als Silikon, ist ein anorganisches Polymer, das durch die Polymerisation von Siloxanen (Moleküle, die aus Silizium- und Sauerstoffatomen bestehen) gewonnen wird. Im Zusammenhang mit Polysiloxanen erfolgt die Polymerisation durch eine Kondensationsreaktion der Siloxane. Diese Umwandlung erfolgt in Gegenwart eines Katalysators, bei dem es sich um eine Säure oder eine Base handeln kann und dessen Funktion darin besteht, die Bildung von Bindungen zwischen den funktionellen Gruppen der Siloxane zu fördern. Die Polymerketten weisen so dank der zwischen den Sauerstoff- und Siliciumatomen gebildeten Bindungen eine bemerkenswerte Beweglichkeit auf. Diese Kategorie von Polymeren zeichnet sich vor allem durch ihre chemische Beständigkeit sowie ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften aus. Polysiloxan und Silikon sind Begriffe, die sich auf dasselbe Material beziehen. Während Ersteres die technische Bezeichnung ist, wird Letzteres eher im kommerziellen und alltäglichen Umfeld verwendet.

Silikon kommt in verschiedenen Zuständen vor, je nach makromolekularer Struktur, Größe und Verteilung der Ketten seiner Bestandteile. Man findet es in Form von Silikonölen und -kautschuken (die als Zusatzstoffe, Schmiermittel oder Hydraulikflüssigkeiten verwendet werden), als Silikon-Gele (die in Brustprothesen oder Fahrradsätteln verwendet werden) und schließlich als Elastomere. Letzteres ist die heute am häufigsten verwendete Art von Silikon.

Silikon-3D-Druck

Das erste Unternehmen, das ein 3D-Drucksystem für den Druck von Silikon entwickelte, war ACEO, eine Abteilung des deutschen Chemieriesen Wacker Chemie AG. Im Jahr 2016 stellte das Unternehmen ein Verfahren vor, das dem Tintenstrahldruck ähnelt. In diesem Fall wurden Silikontröpfchen als Schicht aufgetragen und dann mit einer UV-Lichtquelle ausgehärtet; der Vorgang wurde Schicht für Schicht wiederholt, bis das endgültige Teil entstand. Darüber hinaus behauptete das Unternehmen, dass seine Technologie Teile mit isotropen (d. h. in alle Richtungen gleichmäßigen) mechanischen Eigenschaften erzeugte, die mit denen des Spritzgusses vergleichbar wären. ACEO existiert seit 2021 zwar nicht mehr, dennoch sind die Ansätze des frühen Akteurs auf dem Gebiet des 3D-Silikondrucks in einer Vielzahl von Sektoren gefragt, darunter Industriegüter, Chemie, Medizin und Zahnmedizin.

3D-Druck von Silikon durch eine Druckspritze. (Bild: AMFG)

Wie bereits erwähnt, ist eine der 3D-Drucktechniken, die mit Silikonen kompatibel sind, die Photopolymerisation. Es gibt jedoch auch andere Technologien der additiven Fertigung, die mit dieser Art von Material arbeiten können. Im Falle der Extrusionstechnologie erfordert Silikon spezifische Hardware-Eigenschaften. Zunächst muss das Material in anschließbaren Spritzen mit einem Kolben verpackt werden. Die Druckköpfe sind in der Regel mit volumetrischen Dosierpumpen ausgestattet, die eine hohe Abgabe- und Dosiergenauigkeit gewährleisten. Diese Pumpen werden über Druckspritzen mit dem Rohmaterial versorgt und fördern und dosieren die zu druckende Materialmenge. Das Material wird über eine Präzisionsdüse aufgetragen, die mit dem Pumpenauslass verbunden ist.

Auf diese Weise ähnelt das beschriebene additive Fertigungsverfahren der Extrusionstechnologie (FFF / FDM). Das aufgetragene Material wird jedoch nicht fixiert, wenn es aus der Düse kommt, sondern die gedruckte Flüssigkeit wird so formuliert, dass sie eine bestimmte Viskosität aufweist, so dass sie sich selbst überlagern kann. Die Vernetzungsreaktion (bei der sich die Polymere zu Ketten zusammenschließen und eine Art Netzwerk bilden) findet während und nach dem Druckvorgang statt und härtet das bereits geformte Material aus. Nach der Vernetzung erhält das Teil seine endgültigen physikalischen und chemischen Eigenschaften.

Vorteile und Einschränkungen des Silikon-3D-Drucks

Betrachten wir nun einige Vorteile und Grenzen dieser Herstellungstechnologie. Einer der Hauptvorteile ist, dass Silikon die Erstellung von 3D-Modellen mit hoher Flexibilität und Haltbarkeit ermöglicht. Dies wiederum führt dazu, dass es höheren Belastungen und Druck als andere Materialien standhalten kann, während es aufgrund seiner Flexibilität Platz spart – und das alles ohne Beeinträchtigung seiner mechanischen Eigenschaften. Silikon ist auch resistent gegen extreme Temperatur- und Strahlungsschwankungen, sodass die Teile weniger anfällig für solche Einflüsse sind als bei Glas oder ähnlichen Materialien. Wenn Glas als zu zerbrechlich angesehen wird, entscheiden sich Fachleute oft für Silikon. Das liegt auch an seiner hohen Transparenz, die es ideal für Modelle macht, die visuell kontrolliert werden müssen. Schließlich macht die Kombination aus leitenden, isolierenden und biokompatiblen Eigenschaften Silikon für eine Vielzahl von 3D-Druckanwendungen interessant, wie wir weiter unten sehen werden.

Silikone sind biokompatibel, was sie zu einer idealen Wahl für medizinische Anwendungen macht. (Bild: Nick Pitsas)

Zu den Nachteilen des Silikon-3D-Drucks gehört die Zugänglichkeit in Bezug auf Hardware und Materialien. Obwohl immer mehr Unternehmen technologische Lösungen für den 3D-Druck mit Silikon entwickeln, gibt es immer noch wenige Hersteller, die Maschinen dieser Art anbieten. Infolgedessen sind die Kosten hoch und die Materialoptionen begrenzt. Außerdem haben die derzeitigen 3D-Drucker ein relativ geringes Druckvolumen, und obwohl mehrere Teile gleichzeitig hergestellt werden können, sind sie für die Massenproduktion von Großserien noch nicht ganz bereit. Viele der Geräte arbeiten mit einem einzigen Druckkopf, sodass sie einfache, flache Modelle ohne Stützstrukturen für komplexe Modelle erstellen. Dies hat sich jedoch in den letzten Jahren geändert und es sind immer mehr IDEX-Lösungen mit zwei Köpfen verfügbar, mit denen auch Stützstrukturen hergestellt werden können. Schließlich weist die Nachbehandlung der Teile weitere Einschränkung dieser Technologie auf. Silikone benötigen im Allgemeinen einen längeren Aushärtungsprozess, was die Gesamtproduktionszeit verlängert.

Anwendungen und Hersteller

Der 3D-Druck von Silikon eignet sich hervorragend für die Produktion kleiner und mittlerer Serien, für das Prototyping und für die Herstellung einzigartiger Formen, die mit herkömmlichen Methoden nicht denkbar wären. Einer der Sektoren, der am meisten von dieser Technologie profitiert, ist der medizinische Sektor. In diesem Bereich wird der Silikon 3D-Druck zur Herstellung von Implantaten, Prothesen und medizinischen Modellen verwendet, die für jeden Patienten individuell angefertigt werden. Silikon fühlt sich wie menschliches Gewebe an, was es ideal für chirurgische Eingriffe macht. Auch die biomedizinische Forschung macht sich dieses 3D-gedruckte Silikon zunutze und verwendet es als Gerüst für die Gewebezüchtung, um Strukturen für das Wachstum von Zellen für Studien und Experimente zu schaffen.

Die Soft-Robotik ist eine weitere Anwendung dieser Form der additiven Fertigung mit Silikon. Das Material eignet sich insbesondere für die Herstellung weicher Roboterkomponenten, wie z. B. Greifer, die in der Lage sind, empfindliche Objekte zu greifen und zu bearbeiten. Dank seiner Eigenschaften wird 3D-gedrucktes Silikon auch als praktikables Material für flexible und elastische Elektronik erforscht. Eine weitere Branche, in der 3D-gedrucktes Silikon zum Einsatz kommt, sind Konsumgüter. Da wird es vor allem für die Herstellung flexibler und elastischer Modelle für Kleidung sowie für das Prototyping von Wearables, wie z. B. Smartwatches, verwendet.

3D-gedruckte Objekte aus Silikon. (Bild: AMFG)

Zu den bekanntesten Akteuren auf dem Markt gehört beispielsweise Elkem Silicones, ein Unternehmen, das sich der Entwicklung von Silikonen für die moderne Fertigung widmet. Darüber hinaus gibt es Hersteller im Bereich des 3D-Drucks, die über Maschinen verfügen, die für die Arbeit mit diesen Materialien geeignet sind. Dazu gehören natürlich ACEO, aber auch Deltatower, innovatiQ, Lynxter, Spectroplast oder San Draw, um nur einige zu nennen. Weitere Informationen über Silikon-3D-Drucker finden Sie in unserem entsprechenden Artikel.

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*Titelbildnachweis: innovatiQ