Kann man Silikon 3D-drucken? Die besten 3D-Drucker für Silikon und Alternativen

Während die meisten 3D-Drucktechnologien schon seit Jahren oder sogar Jahrzehnten verfügbar sind, ist der Silikon-3D-Druck noch ein relativ junges, experimentelles Feld, da das Verfahren kompliziert ist. In den letzten paar Jahren haben einige Anbieter Silikon-3D-Drucker auf den Markt gebracht, die jedoch alle bestimmte Einschränkungen aufweisen und mit immensen Kosten einhergehen. Daher sind sie für die meisten Unternehmen und Anwendungsbereiche nicht geeignet. 

Eine der ersten Lösungen für den direkten 3D-Druck von Silikon war ein Drop-on-Demand-Verfahren, das vom deutschen Unternehmen ACEO entwickelt wurde. Bei diesem Drop-on-Demand-Verfahren wurden kleine Mengen Silikon auf die Konstruktionsplattform abgegeben und mittels UV-Licht zu fertigen Teilen ausgehärtet. Diese Lösung konnte sich auf dem Markt jedoch nicht etablieren und wurde 2021 eingestellt. 

Eine andere Form des Silikon-3D-Drucks ist das Liquid Additive Manufacturing (LAM), ein von InnovatiQ (ehemals German RepRap) entwickeltes Verfahren, bei dem verflüssigtes Silikon auf die Konstruktionsplattform abgegeben und über einen dualen Aushärtungsprozess gehärtet wird. Das Verfahren zur Materialextrusion ähnelt hier der Funktionsweise von FDM-3D-Druckern (Schmelzschichtung). Das duale Aushärteverfahren nutzt sowohl UV-Licht als auch Hitze, um das fertige Teil zu formen. Die Gestaltungsfreiheit und die Teilequalität ist bei dieser Lösung jedoch eingeschränkt und die Kosten für den Drucker liegen bei etwa 120 000 €.

Das neueste Beispiel für den Silikon-3D-Druck ist die von Spectroplast entwickelte Technik Silicone Additive Manufacturing (SAM). Das SAM-Verfahren ähnelt der Technologie der Vat Photopolymerisation, die von 3D-Druckern nach den Verfahren Stereolithografie (SLA) und Digital Light Processing (DLP) bekannt ist. Normalerweise können Silikonmaterialien nicht durch Licht ausgehärtet werden, doch mithilfe eines eigenen Prozesses ist es dem Unternehmen gelungen, das Material lichtempfindlich zu machen. Diese aufkommende Technologie verspricht dasselbe hohe Maß an Gestaltungsfreiheit wie andere Technologien zum Kunstharz-3D-Druck bei einem Einstiegspreis von ca. 100 000 €.

Einer der Hauptgründe, weshalb Hersteller auf Silikon zurückgreifen, ist seine Elastizität und Flexibilität, die eine große Bandbreite an Anwendungsbereichen eröffnen. 

Die Shore-Härte von Silikonen liegt im Allgemeinen zwischen 10A und 80A. Mit gängigen 3D-Druckverfahren für Polymere wie FDM, SLA und SLS sind zahlreiche Materialien in diesem Härtebereich verfügbar, die Silikon in anderen wichtigen Eigenschaften unterschiedlich stark ähneln. Relevante Materialeigenschaften sind hierbei die Haltbarkeit, Wärmebeständigkeit, UV-Beständigkeit, Lebensmittelechtheit, Biokompatibilität sowie Farboptionen und Lichtdurchlässigkeit.

Bei der Schmelzschichtung (FDM) sind Elastomere wie thermoplastische Polyurethane (TPU) und thermoplastische Elastomere (TPE) die flexibelsten Materialien, die als Alternative zu Silikon dienen können. Diese Materialien sind in den Shore-Härten 45A bis 90A erhältlich, womit ein Teil der Härteskala von Silikon abgedeckt ist, mit Ausnahme der weichsten Materialien.

Die Vorteile dieser Alternativen liegen im grundsätzlich erschwinglichen Preis von FDM-3D-Druckern und den zugehörigen Materialien. Nachteile ergeben sich jedoch aus der niedrigen Präzision und Maßgenauigkeit, der geringen Auflösung, Qualität und Festigkeit der Teile sowie der eingeschränkten Gestaltungsfreiheit. All diese Faktoren mindern die Praxistauglichkeit der Teile. Silikonähnliche FDM-Materialien sind für gewöhnlich weniger robust als standardmäßiges Silikon, sind nicht lebensmittelecht, haben eine geringere Wärmebeständigkeit und bieten weniger Optionen hinsichtlich Farbe und Lichtdurchlässigkeit. Sie können jedoch biokompatibel und hautverträglich sein.

Der Stereolithografie-3D-Druck ist aufgrund seiner hohen Präzision und der breiten Palette an Materialien bei Fachleuten sehr beliebt. SLA-3D-Druck bietet zahlreiche Alternativen zu Silikon, die es Herstellern ermöglichen, Prototypen silikonähnlicher Teile oder sogar Endverbrauchsteile zu fertigen, die über die Flexibilität, Elastizität und Robustheit von Silikon verfügen. SLA-Teile bieten die glatteste Oberflächenbeschaffenheit und ein höheres Maß an Gestaltungsfreiheit als FDM.

Silikonähnliche, flexible Kunstharze für den 3D-Druck sind im Allgemeinen weniger robust als Standard-Silikon, nicht lebensmittelecht, nicht biokompatibel (aber möglicherweise hautverträglich) und haben eine geringere thermische Beständigkeit. Silikonähnliche SLA-Materialien können lichtdurchlässig sein und können auch in verschiedenen Farben gefärbt werden.

Die Verfügbarkeit spezifischer Materialien hängt vom Druckermodell ab, doch für gewöhnlich können Materialien mit einer Shore-Härte von 30A bis 90A eingesetzt werden. Unter den SLA-Druckmaterialien von Formlabs gibt es folgende Materialalternativen für Silikon:

• Elastic 50A Resin ist ein weiches Material und eignet sich dadurch für die Prototypenfertigung von Teilen, die normalerweise mit Silikon hergestellt werden. Dank der Shore-Härte 50A ist es ideal für Teile, die wiederholt gebogen, gedehnt und gestaucht werden können, ohne dass es zu Rissen kommt, und dann schnell ihre ursprüngliche Form wieder annehmen. Elastic 50A Resin ist die richtige Wahl für Anwendungen wie Wearables (Riemen), dehnbare Gehäuse und Hüllen, stauchbare Knöpfe und Weichgewebeanatomien im medizinischen Bereich.

• Flexible 80A Resin ist ein starres Material mit weicher Haptik und einer Shore-Härte von 80A, das die Flexibilität harter Silikone oder auch Gummi und TPU simuliert. Dieses Kunstharz bietet eine Balance aus Weichheit und Festigkeit und kann auch wiederholtes Biegen, Dehnen und Zusammendrücken aushalten. Es eignet sich ideal für die Prototypenfertigung von Teilen wie Griffen, Überzügen, Dämpfungen, Dichtungen, Stoßdämpfern und Masken, oder auch für Anatomien von Knorpeln, Sehnen und Bändern in der Gesundheitsbranche.

• Obwohl es leicht über dem Härtebereich von Silikonmaterialien liegt, stellt Rebound Resin mit einer Shore-Härte von 86A ein elastisches 3D-Druckmaterial dar, das einzigartige Eigenschaften für Endverwendungsfälle bietet. Mit der fünffachen Reißfestigkeit, der dreifachen Zugfestigkeit und der doppelten Dehnung anderer Elastomere für die Serienproduktion eignet sich Rebound Resin perfekt für den 3D-Druck federnder, widerstandsfähiger Teile. Seine hohe Dehnungsfestigkeit macht Rebound Resin zum perfekten Material für dehnbare Teile mit guter Haptik wie z. B. Griffe. Es ist fest genug, um dauerhafter Kompression und Spannung standzuhalten, und eignet sich daher hervorragend für die Herstellung langlebiger komplexer Dichtungen.

Selektives Lasersintern (SLS-3D-Druck) ist das häufigste additive Fertigungsverfahren für Industrieanwendungen. Zusätzlich zu hoher Genauigkeit und einem hohen Durchsatz bietet es fast uneingeschränkte Gestaltungsfreiheit, da die Teile beim Drucken durch ungesintertes Pulver gestützt werden, sodass keine zusätzlichen Stützstrukturen erforderlich sind.

SLS-Materialien mit silikonähnlichen Eigenschaften sind unter anderem TPU, TPE und TPA, die Shore-Härten im Umfang von 45A bis 90A bieten. Die Verfügbarkeit der jeweiligen Materialien ist vom Druckermodell abhängig.

Mit silikonähnlichen SLS-Materialien produzierte Teile sind maßgenau, haltbar, abrasions- und verschleißbeständig und bieten die höchste Temperaturbeständigkeit aller drei 3D-Druckverfahren für Kunststoffe. Nach der Nachbearbeitung können sie biokompatibel, hautverträglich und lebensmittelecht sein. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass die Optionen bezüglich Farben und Lichtdurchlässigkeit beim SLS-Druck beschränkt sind und sich dünnwandige Designs während des Abkühlens verziehen können.

Möchten Sie lieber echte Silikonteile fertigen, kann der 3D-Druck dabei helfen, die Lücke zwischen der Prototypenfertigung und der Massenproduktion mit traditionellen Fertigungsmethoden zu überbrücken.

Die Verfahren Spritzguss, Thermoformen, Formpressen und Silikonguss nutzen allesamt Formen, um Produkte aus Silikon herzustellen. Der Werkzeugbau ist jedoch mit hohen Vorabkosten und wochen- oder monatelangen Durchlaufzeiten von Dienstleistern verbunden, was die Produktentwicklung und damit die Markteinführung verlangsamt.

Betriebsinternes Rapid Tooling als Teil der Produktentwicklung gibt Unternehmen die Möglichkeit, das Design und die Materialwahl zu validieren, bevor sie zur Serienproduktion übergehen. Außerdem lassen sich damit individualisierte Endverbrauchsteile oder Sondereditionen herstellen.

Das Team von Google ATAP nutzte bei der Feineinstellung der Werkzeuge in der Fabrik 3D-gedruckte Nachbildungen oder Ersatzeinsätze anstelle umspritzter elektronischer Baugruppen.

Das Designteam im Labor von Google Advanced Technology and Projects (ATAP) konnte seine Kosten um über 100 000 $ senken und seine Testzyklen von drei Wochen auf drei Tage verkürzen. Der Schlüssel dazu war die Kombination von 3D-Druck und Insert-Molding. Mit dem 3D-Druck von Testkomponenten anstelle der Verwendung teurer Elektronik von einem externen Zulieferer sparte das Team von Google ATAP sowohl Zeit als auch Geld.

Das Start-up Dame Products mit Sitz in Brooklyn entwirft Produkte für die Gesundheits- und Wellnessbranche. Das Team setzt Insert-Molding ein, um die interne Hardware von Beta-Prototypen für Kunden in Silikon einzufassen. Zur Produktreihe von Dame Products gehören komplexe ergonomische Geometrien, die jeweils komplett von hautverträglichem Silikon in leuchtenden Farben umschlossen sind.

Insert-Molding mit Silikon ist auch für die Fertigung von Endverbrauchsteilen in Kleinserien die ideale Wahl. Psyonic, ein Hersteller fortschrittlicher Prothesen, nutzt dieses Verfahren, um Finger für Handprothesen zu produzieren, die aus einem mit Silikon umspritzten festen, 3D-gedruckten Kern bestehen. Der Robotik-Hersteller RightHand Robotics wiederum stellt mit demselben Prozess Greifer für seine Roboter her.

3D-gedrucktes Rapid Tooling kann auch beim Formpressen zur Produktion von Thermoplast-, Silikon-, Gummi- oder Verbundwerkstoffteilen dienen. Die Produktentwickler beim Küchenutensilienhersteller OXO nutzen 3D-Druck zur Prototypenentwicklung gummiartiger Teile wie Dichtungen, wobei sie 3D-gedruckte Gesenke zum Formpressen von Zwei-Komponenten-Silikon einsetzen.

Auch das Gießen ist ein beliebtes Verfahren zur Herstellung von Silikon- und Kunststoffteilen für die Gesundheitsbranche, die Audiologie, lebensmittelechte Anwendungen und mehr.

Das Medizintechnikunternehmen Cosm fertigt patientenspezifische Pessare für Patientinnen mit Beckenbodenstörungen. Die Formen werden auf einem SLA-3D-Drucker gedruckt. Anschließend wird biokompatibles Silikon in medizinischer Qualität eingespritzt, um das Teil herzustellen. Dank Rapid Tooling aus dem 3D-Drucker erstellt das Unternehmen maßgefertigte Teile ganz ohne die hohen Kosten traditioneller Werkzeugbestückung.

Die Herstellung maßgefertigter Otoplastiken mithilfe von 3D-Druck hat die Audiologie revolutioniert. Zu den Anwendungen gehören Hörgeräte, Gehörschutz und maßgeschneiderte Ohrhörer. Die digitale Fertigung bietet im Vergleich zum traditionellen Formenbau bessere Kontrolle und Genauigkeit. Dadurch treten erheblich weniger Fehler auf und es sind weniger Überarbeitungen erforderlich.

Auch in der Unterhaltungsindustrie kommt das Silikongussverfahren zum Einsatz. Jaco Snyman, Gründer des preisgekrönten Dreamsmith Studios für prothetische Make-up-Effekte und Requisitenherstellung, nutzte eine breite Palette dieser Techniken für die SciFi-Serie „Raised by Wolves“. Unter voller Ausnutzung des großen Fertigungsvolumens von Formlabs' SLA-3D-Drucker Form 3L erstellte Snyman eine hyperrealistische Silikonnachbildung des Körpers einer Schauspielerin, Silikonmasken für die Besetzung, lebensgroße Dummys und mehr.

Obwohl 3D-Drucker für den direkten 3D-Druck von Silikon noch nicht leicht zugänglich oder erschwinglich sind, gibt es verschiedene Wege, die Vorteile des 3D-Drucks bei der Herstellung von Teilen aus Silikon oder silikonähnlichen Materialien auszunutzen.

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