シリコーン3Dプリント入門：最先端生産へのビギナーズガイド

[画像クレジット: ACEO]

シリコーン3Dプリントは、ヘルスケア、ロボティクス、自動車などほぼすべての産業に適用可能な、新規ながら極めて汎用性の高い技術です。

現在、試作と少量生産で使用されており、企業がより少ないロットの部品をより速く、経済的に製造できるようにしています。

本ガイドでは、シリコーン3Dプリントの需要を牽引する要因、市場で利用可能な主要技術、最も恩恵を受けるアプリケーションを探ります。

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します。驚異的な応力と温度極限に耐えられるため、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です。生体適合性のおかげで、シリコーンはヘルスケア用途でも広く使われています。

最近まで、シリコーン部品の生産は主に射出成形で行われてきました。しかしこの技術は、金型コストが10万ドルを大きく超えることもあり、少量生産ではコスト面から非現実的です。

さらに、初回生産後に設計変更したい場合、金型を再製作する必要があり、さらなるコストとリードタイム増大を招きます。

一方、3Dプリントは工具が不要で、プロセスコストがボリュームに依存しないため、より柔軟です。したがって、少量のパーツが必要な場合、3Dプリントとシリコーンの組み合わせは完全に理にかなっています。

この組み合わせが提供するメリットにもかかわらず、シリコーン3Dプリントは最近まで開発されてきませんでした。その理由の一つは材料の性質にあります。

シリコーンは高粘度のため、他のポリマーと同じようには3Dプリントしにくいです。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プリンターでの達成がしばしば困難です。

しかし、シリコーン3Dプリントの市場は、需要の高まりとシリコーン3Dプリント技術の革新の両方によって、徐々に拡大し始めています。

シリコーン3Dプリント技術

ドイツの化学大手ワッカーケミーAGの一翼であるACEOが、純シリコーンを3Dプリントする技術を開発した最初の企業です。

2016年に初公開されたACEOの技術は、インクジェット技術と同様に動作する「ドロップオンデマンド」手法を使用します。プロセスは、単一パーツ層の形状で材料の液滴を堆積させ、UV光で硬化させることから始まります。次のシリコーン液滴層が堆積され、UV光で前層と結合されます。このプロセスをオブジェクト完成まで繰り返します。

100%シリコーンパーツを生産する初の3Dプリント技術であることに加え、ACEOのプロセスは射出成形と同等の等方的（全方向均一）機械的特性を持つパーツを生み出します。

さらに、ACEOのプロセスはマルチマテリアル対応でもあり、異なる色と硬度のパーツ製造が可能です。

昨年、ACEOは新型ACEO Imagine Series K2 3Dプリンターを発売し、最大4種類の異なるシリコーン材料を同時に3Dプリントできるようになりました。

シリコーン3Dプリント分野の最初の参入者の一つとして、ACEOの技術は工業製品、化学、医療、歯科など様々な業界で需要があります。

HenkelのLOCTITE 3Dプリンター

Henkelもシリコーン3Dプリント分野で活躍する化学企業です。同社は2018年、Loctiteブランドでシリコーン3Dプリンターと2種類のシリコーン材料を発売しました。

この3Dプリンターはデジタルライトプロセッシング（DLP）技術ベースで、液体光重合体レジンを光源で硬化させます。シリコーンレジンに加え、Henkelおよび他の材料メーカーが開発した幅広い材料を処理可能です。つまり、この3Dプリンターはオープンマテリアルプラットフォームであり、ユーザーを単一材料ブランドに制限しない、はるかに大きな柔軟性を提供します。

Spectroplastのシリコーン3Dプリントサービス

HenkelやACEOのような大手に加え、いくつかのスタートアップも独自の技術でシリコーン3Dプリント市場に参入しています。スイス企業Spectroplastがその一つです。

Spectroplastは昨年9月、DLPベース3Dプリンターの長年の研究開発を経て、シリコーン3Dプリントビジネスを開始しました。

SpectroplastのCTO、Petar Stefanov氏はAMFGのインタビューで、「DLP方式は『はるかに高い解像度を生み出し、したがって表面仕上げが向上する』」と述べています。

Spectroplastのプロセスはまた、「従来のシリコーン3Dプリント手法と比較して『少なくとも10倍高速』」とされています。

同社は成長を続け、新世代シリコーン材料の発売、および技術を射出成形標準に匹敵するレベルまで発展させる計画です。

最近の138万ユーロのシード資金調達により、Spectoplastはこれらの目標に向け順調に進んでおり、成長するシリコーン市場のシェアを獲得する良い位置にあります。

German RepRapのLAM技術

もう一つの興味深いシリコーン3Dプリント技術は、German RepRapが開発しました。同社は押出ベース3Dプリンターを専門としますが、そのシリコーン3Dプリント技術は全く異なるアプローチを採っています。

Liquid Additive Manufacturing（LAM）技術は、German RepRapが名付けたプロセスで、液状ポリマー（シリコーンを含む）を層ごとに堆積させます。その後、各層は加熱により前層と硫化・結合されます。

硫化プロセスにより、LAM 3Dプリントパーツは射出成形品とほぼ同等の特性を持つとされています。

LAMプロセスはFormnext 2018で初公開され、初の量産対応LAM 3DプリンターL280とともに発表されました。同社は産業利用向けに技術をさらに発展させ、昨年新型L320 LAM 3Dプリンターを発売しました。

注目すべきは、先月German RepRapが機械製造会社Arburgに買収されたことです。Arburgも3Dプリンターを製造しています。買収がLAM技術ロードマップにどう影響するか興味深いところです。ArburgがLAMベースのシリコーン3Dプリンターを開発するか、German RepRapが大手技術グループの支援下でLAM技術を継続開発するか。

いずれにせよ、3Dプリントシリコーンへの需要増大と競合の少なさを考慮すると、LAM技術開発が頓挫することは unlikely です。

シリコーン3Dプリントのアプリケーション

 

ヘルスケア

無毒性、生体適合性、耐UV・耐薬品性などの材料特性により、シリコーン3Dプリントはヘルスケア業界のアプリケーションに特に適しています。

補聴器、マスク、義肢、義肢ライナー、気管ステント、心臓弁、装具インソールなどが含まれます。

本質的に、シリコーン3Dプリントによりこれらのデバイスをコスト効率よくカスタマイズでき、患者へのより良いフィットを実現します。

Spectroplastが共有した一例では、シリコーン3Dプリントで乳がん患者向けカスタム乳房プロテーゼを製造しています。

乳房切除術では、「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、つまりブラに装着するシリコーン物体を選択する必要があります。現在、これらは少数の標準サイズと、さらに少ない標準形状で提供され、通常患者の解剖学に完全にはフィットしません」とPetar Stefanov氏は説明します。

Spectroplastのシリコーン3Dプリントサービスを利用すれば、病院は患者に合わせたオーダーメイドプロテーゼを提供でき、本来の対称性も維持できます。

別の事例では、Loctiteが人工呼吸器メーカーの呼吸製品用シリコーンチューブ100本の製造を支援しました。射出成形は、設計制約—極めて小さな中空コアのためチューブの製造がほぼ不可能—により非現実的でした。そこで複雑な形状とディテールを少ない制約で作れる3Dプリントに転じました。

最終的に、透明シリコーンチューブ100本が1日30個のペースで3Dプリントされ、1個あたり$19のコスト—射出成形の見積もり$190/個より大幅に低コスト。リードタイムも、ハードツーリングの4〜6週間からわずか数営業日に短縮されました。

ロボティクス

産業財業界では、シリコーン3Dプリントをソフトロボティクスの試作と製造に使用しています。ソフトロボットは高柔軟性材料で構築され、従来ロボットでは再現できない生物に近い新しい動きを可能にします。さらに、ソフトロボットは周囲への優れた適応性を持ち、人間の周りでより安全です。

ドイツのスタートアップFormhandは、シリコーン3Dプリントの助けを借りて、業界横断的な多目的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プリントサービスで複数のグリッパー設計を試作。技術のおかげで、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できました。

その他のアプリケーション

上記以外にも、シリコーン3Dプリントは電子部品カバーの製造に適し、極端な熱、湿気、塩分、腐食、汚れから保護します。

さらに、化学と自動車用途のシール製造にも使用可能です。歯科業界では、矯正歯科医が歯科モデル作成にシリコーン3Dプリントを活用し、クラウンなど様々な歯科デバイスの製作に役立てています。

シリコーン3Dプリントの未来

明らかに、シリコーン3Dプリントのアプリケーションに限界はありません。しかし、技術の新しさゆえ、採用率は低いままです。多くの企業がまだ技術の能力を知らないか、新規性ゆえに採用を躊躇しています。

そうは言っても、この分野での継続的なイノベーションと新規参入企業の流入を考えると、シリコーン3Dプリントは他のシリコーン製造技術への実行可能な代替手段になるでしょう。シリコーン3Dプリント部品への需要は存在し、成長し続けています—技術の未来はエキサイティングでインパクトのあるものになると示唆しています。