シリコーン3D印刷の初心者向けガイド

[画像クレジット：ACEO]

シリコーン3D印刷は、ヘルスケア、ロボット工学、自動車産業を含むほとんどの産業に適用できる、斬新でありながら非常に用途の広い技術です。

今日では、プロトタイピングや少量生産に使用されており、企業は部品のより小さなバッチをより迅速かつ経済的に生産することができます。

このガイドでは、シリコーン3D印刷の需要を促進している要因、市場で入手可能な主要なテクノロジー、およびシリコーン3D印刷から最も恩恵を受けるアプリケーションについて説明します。

シリコーン3Dプリントの台頭

シリコーンは、繊維から自動車部品まで、ほぼ普遍的に存在する材料です。驚異的なストレスや極端な温度に耐えることができるため、航空機や宇宙船の組み立ての多くの側面で望ましい材料になります。その生体適合性のおかげで、シリコーンはヘルスケアアプリケーションにも広く普及しています。

最近まで、シリコーン部品の製造は主に射出成形によって行われてきました。ただし、この技術は金型のコストが高く、10万ドルをはるかに超える可能性があるため、非常に高価になる可能性があり、少量生産のコストが高額になります。

さらに、企業が設計を変更したい場合は、最初の部品を製造した後、金型を繰り返す必要があり、コストとリードタイムがさらに増加し​​ます。

一方、3D印刷は、工具を必要とせず、プロセスのコストが量に左右されないため、より柔軟性があります。したがって、3D印刷とシリコーンを組み合わせると、少量の部品が必要な場合に最適です。

この組み合わせが提供する利点にもかかわらず、シリコーン3D印刷は、特に材料の性質のために、ごく最近開発されました。

シリコーンは粘度が高いため、他のポリマーと同じように材料を3Dプリントするのは難しいことがよくあります。さらに、シリコーンは通常、高温で固化するため、ポリマー3Dプリンターでは実現が難しいことがよくあります。

しかし、シリコーン3D印刷の市場は、シリコーン3D印刷技術の需要の高まりと革新の両方に牽引されて、徐々に拡大し始めています。

シリコーン3D印刷技術

ドイツの化学大手WackerChemie AGの一部門であるACEOは、純粋なシリコーンを3Dプリントする技術を開発した最初の企業です。

2016年に最初に発表されたACEOのテクノロジーは、インクジェットテクノロジーと同様に機能する「ドロップオンデマンド」技術を使用しています。このプロセスは、単一部品層の形で材料の液滴を堆積させることから始まり、その後、UV光で硬化されます。次に、シリコーン液滴の次の層が適用され、UV光がそれを前の層に結合します。オブジェクトが完了するまで、このプロセスが繰り返されます。

100％シリコーン部品を製造する最初の3D印刷技術であることに加えて、ACEOのプロセスは、射出成形に匹敵する等方性（全方向に均一）な機械的特性を備えた部品を作成します。

さらに、ACEOのプロセスもマルチマテリアルであるため、さまざまな色とさまざまな硬度の部品を製造することができます。

昨年、ACEOは、新しいACEOImagineシリーズK23Dプリンターを発売することにより、技術をさらに向上させました。これにより、最大4つの異なるシリコーン材料で部品を同時に3D印刷できます。

シリコーン3D印刷分野への最初の参入者の一人として、ACEOの技術は、工業製品、化学、医療、歯科などのさまざまな業界で需要があります。

ヘンケルのLOCTITE3Dプリンター

ヘンケルは、シリコーン3D印刷の分野で活躍するもう1つの化学会社です。同社は、2018年にLoctiteブランドでシリコーン3Dプリンターとそれに付随する2つのシリコーン材料を発売しました。

3Dプリンターは、デジタルライトプロセッシング（DLP）テクノロジーに基づいており、液体フォトポリマー樹脂を光源の下で硬化させます。このシステムは、シリコーン樹脂に加えて、ヘンケルと他の材料メーカーの両方によって開発された他のさまざまな材料を処理できます。つまり、3Dプリンターはオープンな素材プラットフォームであり、テクノロジーユーザーは、1つの素材ブランドに限定されないため、柔軟性が大幅に向上します。

Spectroplastのシリコーン3D印刷サービス

ヘンケルやACEOのような大企業に加えて、いくつかの新興企業が独自の技術を取り入れてシリコーン3D印刷市場に参入しました。スイスの会社、Spectroplastはそのような会社の1つです。

Spectroplastは、DLPベースの3Dプリンターの長年の研究開発に続いて、昨年9月にシリコーン3D印刷事業を開始しました。

SpectroplastのCTOであるPetarStefanov氏は、AMFGとのインタビューで、DLP手法により「はるかに高い解像度が得られるため、表面仕上げが改善される」と述べています。

Spectroplastのプロセスは、「シリコーンの従来の3D印刷方法と比較して少なくとも10倍[高速]」とも言われています。

同社は成長を続けており、新世代のシリコーン材料を発売するとともに、射出成形規格に匹敵するレベルの技術を開発する予定です。

シード資金への最近の138万ユーロの投資に支えられて、Spectroplastはこれらの目標を順調に進めており、成長するシリコーン市場のシェアを獲得するのに適した立場にあります。

ドイツのRepRapのLAMテクノロジー

もう1つの興味深いシリコーン3D印刷技術は、ドイツのRepRapによって開発されました。同社は押し出しベースの3Dプリンターを専門としています。ただし、そのシリコーン3D印刷技術は、まったく異なるアプローチに基づいています。

ドイツのRepRapがプロセスを吹き替えたように、Liquid Additive Manufacturing（LAM）テクノロジーは、層ごとに堆積されるシリコーンを含む液化ポリマーで機能します。次に、各層は加硫され、熱にさらされた前の層と一緒に結合されます。

加硫のプロセスは、射出成形部品とほぼ同じ特性を持つLAM3Dプリント部品を製造すると言われています。

LAMプロセスは、最初の生産準備が整ったLAM 3DプリンターであるL280とともに、Formnext2018で最初に発表されました。同社は産業用技術のさらなる開発に取り組んでおり、昨年、新しいL320 LAM3Dプリンターを発売しました。

また、先月、ドイツのRepRapが、3Dプリンターも製造している機械製造会社Arburgに買収されたことも注目に値します。買収がLAMテクノロジーのロードマップにどのように影響するかを見るのは興味深いでしょう。おそらく、ArburgがLAMをベースにしたシリコーン3Dプリンターを開発しているのか、ドイツのRepRapがそのブランドの下でLAMテクノロジーを開発し続けており、現在は大規模なテクノロジーグループに支えられています。

いずれにせよ、3D印刷されたシリコーンの需要が高まり、競争がほとんどないことを考えると、LAM技術の開発が終了する可能性はほとんどありません。

シリコーン3D印刷アプリケーション

ヘルスケア

非毒性、生体適合性、UV光や化学物質に対する耐性などの材料の特性のおかげで、シリコーン3D印刷は、医療業界でのアプリケーションに特に適しています。

これらには、補聴器、マスク、補綴物、補綴ライナー、気管ステント、心臓弁、およびオルソティックインソールが含まれます。

基本的に、シリコーン3D印刷により、これらのデバイスを費用効果の高い方法でカスタマイズできるため、患者により適したものになります。

Spectroplastが共有する一例では、シリコン3D印刷を適用して、乳がん患者向けにカスタマイズされた人工乳房を製造しています。

乳房切除術と呼ばれる手技では、「乳房の一部が切除され、ほとんどの患者は外部プロテーゼを選択する必要があります。これは基本的に、ブラジャーに装着されるシリコン製の物体です。現在、これらはいくつかの標準化されたサイズとさらに少ない標準化された形状で提供されており、通常、患者の解剖学的構造に完全には適合していません」と、PetarStefanov氏は説明します。

Spectroplastシリコン3D印刷サービスを使用して、病院は、元の対称性も保持するオーダーメイドのプロテーゼを患者に提供できるようになりました。

別のケースでは、ロックタイトは呼吸器の製造業者がその換気製品の1つに100本のシリコーンチューブを製造するのを支援しました。この状況では、主に設計上の制約のために射出成形は実行できませんでした。チューブは非常に小さい中空コアであるため、製造がほぼ不可能でした。そのため、同社は3D印刷に目を向けました。これは、複雑な機能や詳細をほとんど制限なく作成できることで知られています。

最終的に、100本の透明なシリコーンチューブは1日あたり30パーツの割合で、1パーツあたり19ドルのコストで、3D印刷されました。これは、射出成形で見積もられた1パーツあたり190ドルよりも大幅に低くなります。節約に加えて、リードタイムもハードツーリングの4週間から6週間に短縮され、わずか数営業日になりました。

ロボット工学

工業製品業界では、シリコン3D印刷を使用して、ソフトロボティクスのプロトタイプを作成および製造しています。ソフトロボットは柔軟性の高い素材で構成されているため、従来のロボットでは再現できない、生物に似た新しいロボットの動きが可能になります。さらに、ソフトロボットは周囲への優れた適応性を提供し、人間の周りでより安全です。

ドイツの新興企業であるFormhandは、シリコーン3D印刷の助けを借りて、さまざまな業界の多目的アプリケーション向けのユニバーサルグリッパーを開発しました。チームは、ACEOのシリコーン3D印刷サービスを使用して、いくつかのグリッパー設計のプロトタイプを作成しました。技術のおかげで、彼らはカスタマイズされたコンポーネントを迅速かつ低コストで作成することができました。

その他のアプリケーション

上記の用途に加えて、シリコーン3D印刷は、電子部品のカバーを製造するのに適しており、極度の熱、湿気、塩分、腐食、および汚れから電子部品を保護します。

さらに、この技術は、化学および自動車用途のシールの製造にも使用できます。歯科業界では、矯正歯科医は歯科用モデルの作成にシリコン3D印刷を適用し、それを使用してクラウンなどのさまざまな歯科用デバイスを作成します。

シリコーン3D印刷の未来

明らかに、シリコーン3D印刷アプリケーションの限界は空です。しかし、技術の初期段階のため、その採用率は低いです。多くの企業は、テクノロジーの機能にまだ気付いていないか、その斬新さのためにテクノロジーの採用をためらっています。

とはいえ、この分野での継続的な革新と新しい企業の流入を考えると、シリコーン3D印刷は、他のシリコーン製造技術の実行可能な代替手段になると見込まれています。シリコーン3D印刷部品の需要はあり、成長しており、この技術の将来は刺激的で影響力のあるものになることを示唆しています。