シリコーン3Dプリント：実現性、技術、応用分野

シリコーンは3Dプリント分野で最近進展を見せています。需要不足ではなく、無限の応用に理想的な特性を持つためです。シリコーンは高粘度で、これが3Dプリントに影響し、実用化が遅れていました。

では、シリコーンは3Dプリントできるのか？ 見ていきましょう！

固化プロセス後、エラストマーであるシリコーンオブジェクトは、熱可塑性樹脂や他の汎用材料のように液体状態に戻ることはできません。

エラストマーとは、高粘度で弾性を持つポリマー、簡単に言えばゴムです。ゴムの特徴は伸ばしても離すと元の形に戻ること。合成ゴムであるシリコーンも同様の魅力的な特性を備えています。

シリコーン材料のプリント

シリコーンフィラメントでのプリントは長らく不可能でした。シリコーンは優れた熱安定性と生体適合性を持ち、積層造形において垂涎の材料です。柔軟性と3Dプリントの概念が組み合わさることで、医療分野を中心に無限の可能性が開かれます。

熱可塑性樹脂とは異なり、純粋なシリコーンは液体に溶かして3Dプリンター技術で再固化することはできません。シリコーン材料の製造は、射出成形などの従来製造プロセスのみで可能でした。

このプロセスは高価な金型が必要なため、シリコーン試作パーツやバイオモデルの作成コストが高くなります。

シリコーンの高弾性により、射出成形以外の技術導入が難しく、少量生産ではコストが高騰します。

複数の企業がシリコーンを3Dプリントに組み込む新システムを開発中です。新技術ではヘッド堆積法を用いるもの、光重合により射出成形品に近いパーツを生産するものがあります。

シリコーン3Dプリントは従来製造プロセスと異なり、生産量に依存しない柔軟なプロセスです。これにより、高コストにならずに少量生産が可能になります。

液状シリコーンは高粘度で、他のポリマーとは異なるため生産が遅れていました。3Dプリンターでは達成困難な温度で固化します。

3Dプリント技術の進歩とシリコーンパーツ需要の高まりが、シリコーン3Dプリントの開発を後押ししています。

シリコーンパーツの特性

シリコーン（シリコーンウレタン材料含む）は豊富に存在し、テキスタイルから自動車まで要求の厳しい産業で第一選択肢です。宇宙船アセンブリ、医療用生体適合材料、ソフトロボティクスで広く採用されています。

高性能特性により、シリコーンは物理的・化学的に強力な特性を発揮します。

シリコーンの優れた特性：

• 顕著な熱安定性（温度調整可能）
• 耐水性・蒸気を弾く
• 圧縮・せん断耐性で密閉シール形成に適する
• 水中でも電気絶縁性
• 生体適合性で食品安全
• 着色・透明化可能で光学用途に最適
• 耐UV・耐酸化性
• 難燃性
• 滅菌可能
• 様々な硬度で提供可能

これら特性により、シリコーンはエネルギー、食品生産、自動車、消費財、電子機器、農業など多様な産業で活用されています。

積層造形（アディティブマニュファクチャリング）

積層造形は3Dプリントとも呼ばれ、工具やシリコーン金型を使わず、デジタル情報から3次元アイテムを層ごとに材料を加えて作成する技術です。

技術は層を積み上げる形で様々ですが、全て最終目的オブジェクトの作成という同じ原理で動作します。

シリコーン3Dプリントの仕組み：シリコーンは3Dプリントできるか？

1. 堆積（デポジション）

3Dプリンターはプリントヘッドで2D形状を層ごとに材料堆積させます。一方、シリコーンは液体形態では利用できませんが、プロセスには堆積が含まれます。

プリンターはプリントヘッドでシリコーン液滴を個別に堆積させ、それらを融合させて滑らかな表面を形成します。

2. 硬化と加硫

未加硫のシリコーンゴムは液体またはゲル状で、3Dプリントプロセス中に離型スプレー等で成形しやすくなっています。硬化は、プリントされたシリコーンゴムが鎖状に架橋を形成し、層ごとに進行する化学プロセスです。

光重合プロセスでは、硬化段階が実質的に堆積段階を置き換え、UV光を照射して各層の2D形状を作成します。

3. 後処理

加硫によりプリントされたシリコーンパーツが次の層をプリントできる程度に固化しますが、全体構造を強化するものではありません。

造形後、オーブンで加熱し化学反応を促進・不要物を除去します。サポート材除去のため洗浄も必要になる場合があります。

液体積層造形（LAM：Liquid Additive Manufacturing）

積層造形技術の拡張で、シリコーンのような高粘度材料をビルドプラットフォームに堆積させ期待通りのオブジェクトを作成し、その後加熱して完全に硬化させます。機能性液体による3Dプリント最適化でLAMの機会が提供されます。

材料は主に透明性と柔軟性という機能を持ち、プリントプロセス中に組み合わせ可能です。シリコーン積層造形により、造形物は完成後に強度を発揮します。

機能性液体は室温で層ごとに吐出され、UV光で硬化、デュロメーターで架橋されます。

LAMはFDM（溶融積層法）やマテリアルジェッティング等の他技術への代替案を提供します。LAMコンポーネントと造形物は高性能で、自動車・電子機器の防火・断熱構造に適しています。

LAMは高速プロセスで歪みのないプリントを保証し、無限の設計自由度を提供。プロトタイプと少量生産に革新的で丸みのある手法です。これにより産業界でのプロセスの適合性と応用が推進されます。

積層造形の利点

• 導入コストが手頃

製造業における設備コストは常に企業の障壁です。しかし、積層造形用機械はほとんどの企業や中小規模ビジネスが購入可能な価格帯です。

革新と技術の進歩により、導入コストはさらに安価になります。小規模生産ユニットでは利益と収益性が向上します。

• 最終製品の設計が容易

積層造形は単にプリントを得るだけでなく、最高レベルの設計と革新を含みます。クリエイターは時間とコストの制約から自由になれます。

従来は設計変更でコスト増と時間遅延が発生しましたが、積層造形ではエンジニアが単一設計の複数バージョンをコスト効率よく作成できます。

• 全レベルで研修プログラムが利用可能

機械設備の導入と、それを効率的に運用するスキル・人材の確保は別問題です。スタッフを積層造形設計でプロフェッショナルに訓練することは、ビジネス運営の遅延を招きがちです。

しかし、設計者・製造者向けの研修プログラムが様々なレベルで用意されています。基礎研修は技術経験者向け、技術研修は意思決定者の最大活用を教育、上級研修は主に後処理と材料取り扱い向けです。

• 生産時の廃棄物削減

積層造形の原理は生産プロセスに組み込まれ、従来製造法と大きく異なります。一部機械は意図製品より大きなブロックから材料を削り取ります。

削り取られた材料は切り屑となり再利用できず廃棄物になります。積層造形は必要な分だけ層ごとに材料を加えるため、材料コストを最大90%削減できます。

• 省エネルギー

積層造形は使用材料を減らし、従来製造プロセスと比較して工程ステップを削減するため、エネルギー使用量を大幅に削減します。

積層造形によるリマニュファクチャリングは、製品寿命終了品を新品同様の状態に蘇らせ、ゼロから新部品を作る場合に比べ2〜25%のエネルギーで済みます。

3Dプリントシリコーンの課題

• ハードウェアと材料の入手性

3Dシリコーンの主な制限はアクセス性です。正規のシリコーン3Dプリントを提供する企業は少なく、コストが高騰し材料選択肢が限られます。

• 構造的制約

3Dプリント企業は増えていますが、製造材料はまだ積層造形に適していません。構造用シリコーン3Dプリンターはヘッドが1つしかなく、ディテールの少ないシンプルなオブジェクトしか作れません。

ステレオリソグラフィー系技術を用いるプリンターはこの問題を回避できますが、レジンにはUV硬化が含まれます。最高レベルのシリコーン3Dプリンターでもビルドエリアが比較的小さく、サポート構造をプリントできません。

• 硬化剤の必要性

自社製造プロセスで純粋なシリコーンを3Dプリントできる企業はほぼ存在しません。 多くはUV硬化剤を使用しますが、これは材料を弱め、完成品品質を低下させる傾向があります。

しかし、シリコーン成形後もポジティブな特性を維持し、幅広い用途で利用可能です。

結論

シリコーン3Dプリントにはまだ長い道のりがあります。技術開発の成長率が緩やかなため、採用率は比較的低いです。多くの企業は技術の提供価値を知らないか、一般的でないため導入を躊躇しています。

3Dプリントシリコーンパーツとシリコーン金型の需要は着実に増加しており、将来の技術がエキサイティングなものになることを示唆しています。