Additive Fertigung mit Silikon: Extrusion

11. November 2021

11:27

Additiv gefertigte Bauteile werden seit einiger Zeit nicht nur für den Prototypenbau eingesetzt. Ihr großes Potenzial wird auch im Vorserienbau und für Serienteile genutzt. Für technisch nutzbare Bauteile sind die Materialeigenschaften von entscheidender Bedeutung. In diesem Bereich können 3D-gedruckte Bauteile nur dann mit konventionell hergestellten konkurrieren, wenn sie auch über die gleichen mechanischen und chemischen Eigenschaften verfügen. Biokompatibilität, thermische Beständigkeit und natürlich eine sehr hohe Elastizität machen Silikon für sehr viele Anwendungen unverzichtbar. Daher besteht großes Interesse daran, die Vorteile der additiven Fertigung mit Materialien wie Silikon zu nutzen. Allerdings ist das Verfahren zur additiven Herstellung von Silikon nicht einfach.

Von den verschiedenen Ansätzen stellt dieses Whitepaper den vorExtrusionsbasiert Methoden und Prozesse. Insbesondere werden unterschiedliche Vernetzungsmechanismen näher untersucht – mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen.

3D-Druck von Silikon: Extrusionsbasierte Verfahren

Ein entscheidender Vorteil extrusionsbasierter Verfahren ist die große Vielfalt an verarbeitbaren Flüssigkeiten und Pasten. Daher können fast alle Arten von Silikonen verwendet werden: Von niedrig bis hochviskos und von RTV (RbummTTemperaturVVulkanisation) zu Standard-LSR (Ldas ist, wasSiliconRubber) bis hin zu UV-härtenden und partikelgefüllten Silikonen.

Der extrusionsbasierte Herstellungsprozess ist dem von FLM sehr ähnlich (FgebrauchtLAyerM odeling) Drucken. Mit Hilfe eines Abgabekopfes wird eine Strähne abgelegt. Aus diesem Strang wird Schicht für Schicht ein Bauteil additiv gefertigt.

In diesem Whitepaper werden 2K-LSRs und RTV-Silikone besprochen. LSRs benötigen zur Vernetzung thermische Energie, wohingegen RTV-Silikone darauf ausgelegt sind, bei Raumtemperatur zu reagieren.

Vernetzendes LSR

Beim Silikondruck handelt es sich immer um ein flüssiges Material. Entscheidende Prozessparameter sind daher die Dimensionsstabilität und die Vernetzung des Silikons. Wichtig ist auch zu beachten, dass die Festigkeit des fertigen Silikons erst durch die chemische Reaktion des Materials erreicht wird, beispielsweise durch Polyaddition oder Polykondensation.

Grundsätzlich unterscheidet man bei LSR-Silikonen zwei unterschiedliche Zeitpunkte der Vernetzung: die Vernetzung während der Produktion und die Vernetzung in der Nacharbeit bzw. bei der Nachbearbeitung.

Vernetzung während der Produktion

Allerdings hat dieses Verfahren einen entscheidenden Nachteil: Die Temperaturverteilung ändert sich mit der Höhe des Bauteils. Denn je weiter die Schicht von der Bauplattform entfernt ist, desto weniger Wärmeenergie wird zugeführt. Das bedeutet, dass ein zuverlässiger und konstanter Prozess für ein Bauteil mit zahlreichen Schichten nur sehr schwer zu erreichen ist. Erfahrungsgemäß ist es nicht mehr sinnvoll, Bauteile mit einer Größe von mehr als zwei bis drei Zentimetern auf einer beheizten Bauplattform herzustellen.

Vernetzung im Postprozess

Ein anderer Ansatz besteht darin, ein Silikon zu verwenden, das aufgrund seiner rheologischen Eigenschaften nach der Extrusion seine Form behält. Dies kann durch eine sehr hohe Viskosität oder eine hohe Thixotropie des Silikons oder eine Kombination aus beidem erreicht werden. Das fertige Bauteil aus LSR-Silikon wird in der Nachbearbeitung in einen Ofen gegeben und bei entsprechenden Temperaturen vernetzt. Durch den Wärmeeintrag darf es zu keiner Verformung im Bauteil kommen. Bei diesem Verfahren sind keine zusätzlichen Geräte zur Wärmezufuhr während des Druckens erforderlich.

Unterstützendes Material

Bei steilen Überhängen oder Überbrückungen (Schließen einer Kontur) muss eine Stützkonstruktion errichtet werden. Dieses Trägermaterial soll während des Herstellungsprozesses am Silikon haften und den thermischen Bedingungen während der Vernetzung standhalten. Anschließend muss es sich leicht vom fertigen Teil entfernen lassen. Für jedes Silikon das richtige Trägermaterial zu finden, ist eine Herausforderung. Und der Aufbau der Stützstruktur erfordert zusätzliches Material und Zeit für den Herstellungsprozess.

Herstellung im Hydrogel

Aber es gibt einen Prozess, der Gestaltungsfreiheit ohne den Aufbau einer Stützstruktur ermöglicht: die Fertigung innerhalb eines anderen Materials. Dazu wird das Silikon mit einer langen Nadel in einen mit einem „Stützmaterial“ gefüllten Behälter dosiert. Dieses Trägermaterial kann beispielsweise ein Pulver oder Hydrogel sein. Der Vorgang ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Abbildung 1: 3D-Druck von Silikon: Herstellungsprozess im Hydrogel

Im ersten Schritt wird das Silikon (siehe Abbildung 1, in Orange) in ein Trägermaterial (siehe Abbildung 1, in Blau) dosiert. Der extrudierte Strang wird durch das umgebende Material fixiert. Nachdem die gewünschte Struktur aufgebaut und das Silikon vernetzt ist, kann das Bauteil mit einer Pinzette aus dem Material entfernt werden. Abschließend werden Reste des Stützmaterials entfernt oder einfach abgewaschen.

RTV-Silikone eignen sich für diesen Prozess besonders gut, da sie bereits nach kurzer Zeit (30 bis 60 Minuten) vernetzen. Das Stützmaterial kann nach der Entfernung des Bauteils wieder verwendet werden.

Abbildung 2: DNA-Struktur aus Silikon – hergestellt als 3D-gedrucktes Bauteil in Hydrogel.

Der größte Vorteil dieser Methode ist die hohe Gestaltungsfreiheit. Man wird weder durch einen zu steilen Überhang noch durch eine Überbrückung eingeschränkt. Um dies zu veranschaulichen, zeigt Abbildung 2 eine Komponente, die beides hat.

Dieses Bauteil wurde mit einer 0,3 mm Nadel gedruckt. Die dünnen Verbindungen zwischen den Helixen ließen sich mit anderen Verfahren bisher nur sehr schwer herstellen.

Der Nachteil dieser Technologie liegt im großen Aufwand an Stützmaterial für größere Bauteile. Und dass die Verwendung von LSRs normalerweise nicht praktikabel ist.

Zusammenfassung – 3D-Druck von Silikon

Aufgrund der großen Vielfalt unterschiedlicher extrusionsbasierter Herstellungsverfahren können nahezu alle Bauteile aus Silikon hergestellt werden. Je nach gewünschter Geometrie und Silikonart kann der passende Prozess definiert werden. Grundlage für einen erfolgreichen Herstellungsprozess ist stets eine präzise und wiederholbare Dosierung des Silikons. Das Potenzial des Silikon-3D-Drucks ist noch lange nicht ausgeschöpft. Gerade durch neue Verfahren, wie beispielsweise den Einsatz von Trägermaterial (wie Hydrogel), eröffnen sich völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten.

Weitere Informationen: https://www.viscotec.de/3d-druck-von-standardmaterialien/

11. November 2021

11:27