Guida alla stampa 3D del silicone

Nel settore della manifattura additiva è stato compiuto un importante passo avanti con l’introduzione di una tecnologia innovativa che consente di stampare in 3D parti in silicone. Questa nuova tecnica ha suscitato un grande interesse nel settore della stampa 3D, poiché prima non era possibile fondere il silicone con il calore e depositarlo strato per strato, come avviene per i polimeri o i metalli. Questi nuovi sviluppi, soprattutto nel campo medicale e dei biomateriali medici, stanno contribuendo a migliorare i risultati dei trattamenti esistenti per i pazienti. Inoltre, grazie al costante progresso e alla maturità della tecnologia di stampa 3D, si aprono nuove possibilità e opportunità prima impensabili.

In uno studio di Precision Business Insight, il mercato della stampa 3D in silicone è stato stimato a 1.590,3 milioni di dollari nel 2021 e si prevede un tasso di crescita annuale del 19,9% entro il 2028. Questa crescita è guidata anche dalle aziende di stampa 3D che offrono nuove soluzioni compatibili con il silicone. Cerchiamo di comprendere meglio questi materiali e il processo di produzione additiva collegato in questa guida.

Crediti: Beamler

Siliconi: cosa sono e come si producono?

I siliconi (o polisilossani) sono polimeri inorganici ottenuti dalla polimerizzazione dei silossani (molecole costituite da atomi di silicio e ossigeno). Nei polisilossani, la polimerizzazione avviene attraverso una reazione di condensazione dei silossani. Questa trasformazione avviene in presenza di un catalizzatore, che può essere un acido o una base, la cui funzione è quella di promuovere la creazione di legami tra i gruppi funzionali dei silossani. In questo modo, le catene polimeriche mostrano una notevole mobilità grazie ai legami che si formano tra gli atomi di ossigeno e di silicio. Questa categoria di polimeri si caratterizza per la resistenza chimica e le proprietà fisiche e meccaniche. Polisilossano e silicone sono termini che si riferiscono allo stesso materiale. Mentre il primo è il nome tecnico, il secondo è più utilizzato nell’ambiente commerciale e quotidiano.

I siliconi si presentano in vari stati, a seconda della struttura macromolecolare, delle dimensioni e della distribuzione delle catene che li compongono. Si possono quindi trovare sotto forma di oli e gomme siliconiche (usati come additivi, lubrificanti o fluidi idraulici), come gel (usati nelle protesi mammarie o nei sellini delle biciclette) e, infine, come elastomeri. Quest’ultimo è il tipo di silicone oggi più utilizzato. Vediamo ora come questo materiale può essere utilizzato nel processo di produzione additiva.

Il processo di stampa 3D del silicone

La prima azienda a sviluppare un sistema di stampa 3D del silicone è stata ACEO, una divisione del gigante chimico tedesco Wacker Chemie AG. Nel 2016 l’organizzazione ha presentato un metodo simile alla stampa a getto d’inchiostro. In questo caso, le gocce di silicone venivano depositate come strato, quindi polimerizzate con una sorgente di luce UV; il processo veniva ripetuto strato per strato fino a ottenere il pezzo finale. ACEO ha cessato la sua ttività nel 2021, ma resta uno dei primi attori nel campo della stampa 3D del silicone, tecnologia richiesta in diversi settori, tra cui quello dei beni industriali, chimico, medico e dentale.

Stampa 3D di silicone attraverso una siringa pressurizzata (Credits: AMFG)

Una delle tecniche di stampa 3D compatibili con i siliconi è dunque la fotopolimerizzazione. Tuttavia, esistono oggi anche altre tecnologie di produzione additiva in grado di lavorare questo tipo di materiale. Nel caso della tecnologia di estrusione, il silicone richiede caratteristiche hardware specifiche. Innanzitutto, il materiale deve essere confezionato in siringhe collegabili con un pistone. Le teste di stampa sono solitamente dotate di pompe dosatrici volumetriche che garantiscono un’elevata precisione di erogazione e dosaggio. Le siringhe pressurizzate forniscono la materia prima a queste pompe, che trasportano e dosano la quantità di materiale da stampare. Il materiale viene depositato tramite un ugello di precisione collegato all’uscita della pompa.

Si tratta di un processo simile alla tecnologia FFF/FDM, tuttavia il materiale depositato non è fisso quando esce dall’ugello, ma il liquido stampato è formulato per avere una viscosità specifica in modo da poter essere sovrapposto su se stesso senza collassare. La reazione di reticolazione (quando i polimeri si uniscono in catene formando una sorta di rete) avviene durante e dopo il processo di stampa e polimerizza il materiale già formato. Dopo la reticolazione, il pezzo ottiene le sue proprietà fisiche e chimiche finali.

Vantaggi e limiti della tecnologia

Vediamo ora i vantaggi e i limiti di questa tecnologia di produzione. Uno dei principali vantaggi è che il silicone consente di creare modelli 3D con elevata flessibilità e durata. Questo si traduce a sua volta nella capacità di sopportare carichi e pressioni più elevati rispetto ad altri materiali, risparmiando spazio grazie alla sua flessibilità, il tutto senza intaccare le sue proprietà meccaniche. Il silicone è anche resistente alle fluttuazioni estreme di temperatura e alle radiazioni, rendendo le parti meno suscettibili a tali influenze, come nel caso del vetro o di materiali simili. Quando il vetro è considerato troppo fragile, i professionisti optano spesso per il silicone come prima scelta. Ciò è determinato anche dalla sua elevata trasparenza, che lo rende ideale per i modelli che richiedono un’ispezione visiva. Infine, la combinazione di proprietà conduttive, isolanti e biocompatibili rende il silicone interessante per un’ampia varietà di applicazioni di stampa 3D, come vedremo di seguito.

I siliconi sono biocompatibili, il che li rende una scelta ideale per le applicazioni mediche (Credits: Nick Pitsas).

Tra gli svantaggi della stampa 3D in silicone c’è l’accessibilità in termini di hardware e materiali. Sebbene sempre più aziende stiano sviluppando questa tecnologia, sono ancora poche quelle che offrono stampanti 3D per silicone. Di conseguenza, i costi tendono a essere elevati e le opzioni di materiali limitate. D’altra parte, le stampanti 3D attuali hanno volumi di stampa relativamente piccoli e, sebbene sia possibile creare più parti contemporaneamente, non sono completamente attrezzate per la produzione di massa di grandi serie. Molte macchine utilizzano una sola testa, quindi creano modelli semplici e piatti senza strutture di supporto per modelli complessi. Tuttavia, la situazione è cambiata negli ultimi anni e sono emerse soluzioni IDEX a doppia testa per creare tali supporti. Infine, il post-processing dei pezzi è un altro limite di questa tecnologia. I siliconi richiedono in genere un processo di polimerizzazione più lungo, che allunga i tempi di produzione complessivi.

Applicazioni e principali produttori sul mercato

La stampa 3D del silicone è molto utile per la produzione di piccole e medie serie, per la prototipazione e per la creazione di forme uniche che sarebbero impensabili con i metodi tradizionali. Uno dei settori che sta beneficiando maggiormente di questa tecnologia è quello medicale. In questo campo, viene utilizzato per creare impianti, protesi e modelli medici personalizzati per ogni paziente, poiché il silicone può avere la sensazione e la risposta del tessuto umano, rendendolo ideale per le pratiche chirurgiche. In questa linea, anche la ricerca biomedica trae vantaggio da questo silicone stampato in 3D, utilizzato come impalcatura per l’ingegneria tissutale, creando strutture per far crescere le cellule a scopo di studio e sperimentazione.

La robotica morbida è un’altra applicazione di questa forma di produzione additiva. In particolare, è ideale per creare componenti robotici morbidi, come le pinze, in grado di afferrare e manipolare oggetti delicati. Inoltre, grazie alle sue proprietà, il silicone stampato in 3D viene esplorato come materiale valido per l’elettronica flessibile ed elastica. Infine, un altro settore in cui abbiamo visto l’uso del silicone stampato in 3D è quello dei beni di consumo. Viene utilizzato principalmente per creare modelli flessibili ed elastici per l’abbigliamento, oltre che per la prototipazione di dispositivi di consumo indossabili come gli smartwatch.

Parti stampate in 3D in silicone (Credits: AMFG)

Tra gli attori più importanti del mercato troviamo, ad esempio, Elkem Silicones, un’azienda dedicata allo sviluppo di siliconi per la manifattura avanzata. Inoltre, ci sono produttori del settore della stampa 3D che dispongono di macchine dedicate alla lavorazione di questi materiali. Tra questi, naturalmente, ACEO, ma anche Deltatower, innovatiQ, Lynxter, Spectroplast o San Draw, tra gli altri. Potete trovare ulteriori informazioni sulle stampanti 3D per silicone nel nostro articolo dedicato.

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*Crediti per la foto di copertina: innovatiQ