Печать силиконом на 3D-принтере

Еще недавно силикон рассматривался в производстве исключительно с точки зрения литья. Сегодня же силикон – полноценный материал для 3D-печати, благодаря которому можно напечатать удивительные, а порой и жизненно необходимые объекты.

В этой статье мы рассказываем о 3D-печати силиконом, используемых для нее оборудовании и материалах и применении получаемых принтов.

Источник: i.ytimg.com

Содержание

Новый материал для 3D-печати

Долгое время силикон не использовался в 3D-печати. В отличие от термопластических смол и металлосодержащих соединений, силикон плохо поддается нагреву, что изначально делало его непригодным для этой технологии производства.

Ситуация в корне изменилась в 2016 году, когда компания Wacker Chemie, признанный мировой лидер в химической индустрии, представила первый силиконовый 3D-принтер. Эта разработка открыла большие возможности во многих областях, особенно в медицине и здравоохранении, где силикон уже давно нашел применение благодаря своей биологической совместимости и устойчивости к разрывам.

3D-печатные силиконовые корпуса слуховых аппаратов. Источник: envisiontec.com

Сегодня силикон, наряду с термопластиком, керамикой и металлом, входит в число материалов для 3D-печати. Учитывая сравнительную дороговизну силиконового инжекционного формования, особенно при изготовлении специфических деталей или штучном производстве, силиконовую 3D-печать ожидает грандиозное будущее.

Источник: s3-prod.rubbernews.com

Что такое силикон и зачем им печатать?

Силикон – это название группы полимеров, состоящих из цепочек чередующихся атомов кремния и кислорода. Органические группы прикрепляются к атомам кремния, в результате чего получаются материалы с особыми свойствами — устойчивые к химическому воздействию и разным температурным режимам. Благодаря этим свойствам силикон часто используется для производства медицинских объектов, которые должны быть устойчивы к различным колебаниям условий окружающей среды.

Источник: 3dprintingindustry.com

Традиционно силикон используется в производстве по технологии инжекционного формования термопластов, оно же литье под давлением. При этом используется полая заготовка в форме нужного объекта, куда заливается расплав полимера. Жидкий полимер удерживается в заготовке под давлением до полного остывания. Далее литьевую заготовку раскрывают и удаляют готовое изделие из её полости.

Силикон отлично подходит для инжекционного литья благодаря своим уникальным физическим свойствам.

Тем не менее, в отличие от аддитивной 3D-печати, инжекционное моделирование объектов имеет высокую себестоимость и не позволяет создавать мелкие детали. Но в 2016 году химическая компания Wacker Chemie объявила, что нашла эффективный способ 3D-печати с помощью силикона. Вскоре после этого компании Envisiontec, Carbon 3D и Fripp Design также представили на рынок оборудование и материалы, специально предназначенные для работы с силиконом на 3D-принтерах.

Источник: beamler.com

Технология 3D-печати силиконом

3D-печать силиконом напоминает печать шоколадом или другими материалами, которые должны оставаться жидкими в процессе печати. Вместо твердого нитевидного филамента (волокна), который обычно подают через экструдер, силикон предварительно расплавляют и продавливают через экструдер небольшими каплями, которые укладываются слоями друг на друга.

3D-принтер использует разработанный вами дизайн и моделирует объект: намечает, где поместить капли и как близко они должны быть друг к другу.

Но чтобы силикон затвердел и хорошо держал форму, его нужно вулканизировать.

Вулканизация осуществляется с помощью ультрафиолетового излучения, направленного в область печати. Излучение образует поперечные связи между участками полимерной цепи. Это укрепляет силикон достаточно, чтобы он надолго сохранял свою форму, повышает его прочность.

Источник: silicones.elkem.com

Основными компонентами силиконового 3D-принтера являются основание принтера, силиконовый экструдер, насос и картриджи. Работа устройства аналогична работе струйного принтера.

Во время силиконовой 3D-печати рабочая область и сам робот находятся под стеклянным колпаком.

Одна за другой крошечные капельки быстро выталкиваются из сопла в область печати, до образования тонкой линии. Координаты для формирования желаемой формы отправляются компьютером. Затем область печати подвергается воздействию ультрафиолетового света, что приводит к немедленной вулканизации силикона. Процесс повторяется до тех пор, пока объект не будет сформирован. Как только вулканизация завершается, получившийся объект становится термостойким.

Видео ниже демонстрирует трехмерную печать силиконом:

3D-печать силиконом внутри микрогеля

Новый метод 3D-печати силиконом, разработанный в Университете Флориды, может принести пользу миллионам пациентов.

Источник: 3dprintingmedia.network

Множеству людей ежегодно требуются импланты. Новая технология 3D-печати силиконом, разработанная в Инженерном колледже Герберта Вертхайма Университета Флориды (UF), обещает таким пациентам вживление более прочных, менее дорогих, более гибких и удобных имплантов, чем существующие сейчас.

В статье, опубликованной в журнале Science Advances, исследователи описали процесс производства медицинских изделий и имплантов из мягкого силикона.

«Наш новый материал обеспечивает поддержку жидкого силикона, что позволяет нам создавать очень сложные структуры и даже инкапсулированные детали из силиконового эластомера»,

— сказал Кристофер О'Брайан, докторант кафедры механической и аэрокосмической инженерии, ведущий автор публикации.

Модель из силикона печатается на подложке из микроорганического геля. Печатное сопло следует по заранее заданной траектории, выдавливая жидкий силикон.

В настоящее время аналогичные медицинские изделия отливаются в форму, что может занять дни или недели при создании индивидуальных изделий, разработанных для конкретного пациента. Метод 3D-печати сокращает это время до часов, потенциально спасая жизни. Более того, чрезвычайно маленькие и сложные устройства, такие как дренажные трубки с чувствительными к давлению клапанами, просто невозможно отформовать за один этап. С помощью нового метода команды UF их можно напечатать на 3D-принтере.

Технология также может проложить путь для новых терапевтических устройств, которые контролируют высвобождение лекарств для управления регенерацией тканей или оказания помощи больным органам, таким как поджелудочная железа или простата. Экономия затрат также может быть значительной.

«Общественность более чувствительна к высокой стоимости медицинского обслуживания, чем когда-либо прежде. Почти ежемесячно мы видим, как основные средства массовой информации и общественность протестуют против высоких затрат на здравоохранение, большой стоимости обслуживания в больницах, дорогостоящих лекарств. Все согласны с необходимостью снижения затрат в медицине»,

— сказал член команды Томми Анджелини, доцент кафедры механики и авиакосмической промышленности.

Новый метод родился из проекта, над которым Анджелини и его команда работали несколько лет. Команда разработала способ производства мягких материалов с использованием 3D-печати на гидрогеле. Проблема заключалась в том, что предыдущие гранулированные гелевые материалы были на водной основе, поэтому они были несовместимы с масляными «чернилами», такими как силикон. Это была буквально попытка смешать масло и воду. Чтобы решить эту проблему, команда разработала масляную версию гелей.

«Когда мы начали печатать масляные силиконовые чернила на масляных микрогелевых материалах, печатные детали сохранили свою форму. Мы смогли создать действительно превосходные детали из силикона, напечатанные на 3D-принтере — лучшее, что я когда-либо видел», — сказал Анджелини.

Вода перекачивается из одного резервуара в другой с помощью силиконового клапана, напечатанного на 3D-принтере.

Силиконовый клапан демонстрирует способность метода 3D-печати создавать несколько инкапсулированных компонентов в одной детали — то, что невозможно было сделать с помощью 3D-печати ранее.

Источник: 3dprintingmedia.network

Производство органов и тканей остается основной целью, но, вероятно, на долгие годы вперед. Не так быстро, как с медицинскими имплантатами.

«Реальность такова, что мы, вероятно, находимся в десятилетиях от широко распространенной имплантации трехмерных печатных живых тканей и органов пациентам. “Неодушевленные” же медицинские устройства уже широко используются для имплантации»,

— сказал Анджелини.

Применение 3D-печати силиконом

Области применения силикона вытекают из разнообразных свойств материала:

Устойчивость к воздействию агрессивных сред и отсутствие токсического действия на ткани организма, то есть биологическая совместимость силикона, нашли применение в различных отраслях медицины, особенно в качестве сырья для изготовления индивидуальных имплантатов. Другие случаи применения включают производство продуктов контактирующих с кожей: респираторные маски, слуховые аппараты, носовые упоры для очков, подушечки для наушников, напульсники и многие другие приспособления для постоянного ношения.
Устойчивость к экстремальным температурам и солнечному излучению делают силикон пригодным в автомобилестроении, а также для производства предметов, предназначенных для работы под открытым небом. Пример: заглушки и шланги.
Эластичность силикона позволяет применять его в сферах, где требуются высокая гибкость и упругость, например — в производстве стелек для беговых кроссовок.
Прозрачность делает силикон полезным в оптическом оборудовании. Из него делают контактные линзы.
Уникальные гидроизоляционные свойства делают силикон идеальным материалом для герметизации соединений в автомобильной промышленности, а также для изготовления уплотнителей в гидравлических системах.

3D-печать имплантов силиконом

Исследователи из Лаборатории функциональных материалов при Федеральном технологическом институте Цюриха (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, дословно: Швейцарская высшая техническая школа Цюриха), разработали силиконовое сердце, которое работает так же, как человеческий орган. Совместно с коллегами из Группы разработок продуктов они протестировали силиконовое сердце в действии.

Цель создания первого искусственного силиконового сердца проста: максимально точно имитировать живой орган. Силиконовое сердце было разработано Николасом Корсом (Nicholas Cohrs), аспирантом в группе возглавляемой Венделином Старком (Wendelin Stark), профессором по разработке функциональных материалов в Технологическом институте Цюриха.

Причины создания силиконового имплантата сердца очевидны: используемые в настоящее время насосы для нагнетания крови имеют серьезный недостаток: их механические части подвержены негативным изменениям, что может крайне отрицательно сказаться на здоровье пациента.

«Поэтому наша цель – создать искусственный аналог, который бы максимально близко имитировал человеческое сердце по форме, размеру и функциям», — говорит Корс.

Более 26 миллионов человек во всем мире страдают от сердечной недостаточности и донорских сердец не хватает, чтобы помочь всем этим людям.

Мягкое искусственное сердце было создано из силикона с использованием 3D-печати. Оно весит 390 грамм и имеет объем 679 см3. «Это – силиконовый моноблок со сложной внутренней структурой», — объясняет Корс. «Как и настоящее человеческое сердце, трехмерная модель имеет правый и левый желудочки, но они разделяются не перегородкой, а дополнительной камерой, которая откачивает жидкости из кровяных камер, тем самым имитируя работу мышц человеческого сердца».

Анастасиос Петроу, аспирант Product Development Group Zurich под руководством профессора Мирко Мебольдтом, оценил работу этого мягкого искусственного сердца. Результаты эксперимента опубликованы в научном журнале Artificial Organs.

Исследователи доказали, что мягкое силиконовое сердце работает и движется аналогично человеческому сердцу. Тем не менее, у искусственной модели все же есть одна проблема: в настоящее время она совершает всего около 3000 ударов, что соответствует сроку службы менее одного часа. После этого материал больше не может выдерживать нагрузку.

Корс объясняет: «Это была просто проверка технической осуществимости. Наша цель состояла не в том, чтобы представить сердце готовое к имплантации, а в том, чтобы подумать о новом направлении развития искусственных сердец».

Конечно, предел прочности и производительность искусственного сердца должны быть значительно увеличены.

Ушные протезы на 3D-принтере

Австралийка Колин Мюррей (Colleen Murray) попала в автокатастрофу более 55 лет назад, в результате которой женщина полностью лишилась левого уха. Сегодняшние технологии 3D-печати позволяют полностью восстановить утраченные органы.

Colleen Murray, источник: https://www.thermh.org.au

Для Мюррей был изготовлен силиконовый ушной протез, напечатанный на 3D-принтере. Силиконовая модель даже имела пирсинг для создания полной симметрии с правом ухом. По текстуре и цвету протез максимально близок к оригиналу. Протез прикрепляется к голове с помощью крошечных титановых имплантатов. Благодаря пластичности и прозрачности силикона, напечатанный на 3D-принтере аналог выглядит очень реалистично.

Чтобы напечатать ушной протез на 3D-принтере для Мюррей, врачам сначала пришлось провести 3D-сканирование и копирование правого уха пациентки, чтобы сконструировать симметричную модель.

Все это – лишь небольшой пример безграничного потенциала силиконовой 3D-печати. Сегодня врачи и исследователи активно рассматривают возможность печатать человеческие органы на 3D-принтерах. Представьте: больше никаких преждевременных смертей из-за недостатка донорских органов, никаких неизлечимых болезней типа рака – трехмерная печать силиконом позволяет создавать клапаны сердца, уши, носы, суставы, сосудистые трубки и даже кожу, возвращая простым людям право на полноценную, счастливую и здоровую жизнь.

3D-печатные предоперационные модели

3D-печать силиконом поможет хирургам избежать фатальных ошибок во время операций. Исследователи из Университета Миннесоты разработали трехмерные модели, в точности имитирующие анатомическую структуру, механические свойства и внешний вид человеческих органов.

Искусственные органы, изготавливаемые индивидуально для конкретного пациента, имеют встроенные мягкие датчики и могут использоваться в тренировочных целях перед сложным хирургическим вмешательством, тем самым помогая хирургам избежать фатальных ошибок. Результаты исследования опубликованы в Advanced Materials Technologies, и исследователи планируют запатентовать эту технологию.

«Мы разрабатываем модели органов нового поколения для предоперационной практики. Силиконовые симуляторы органов печатаются на 3D-принтерах. Сходство с человеческим органом — практически 100%, с точки зрения как внешнего вида, так и функционирования», — сообщает автор исследования Майкл Макалпайн (Michael McAlpine), доцент кафедры машиностроения в Колледже науки и техники Университета Миннесоты.

«Силиконовые 3D-модели живых органов произведут революцию в хирургической практике, они помогут врачам лучше планировать и осуществлять хирургическое вмешательство, что в конечном итоге приведет к уменьшению медицинских ошибок во время операции», — добавил Макалпайн.

Вживленные в силиконовые модели датчики отправляют хирургам данные в режиме реального времени, сообщая о степени агрессивности хирургического вмешательства, тем самым предотвращая сильные повреждения тканей.

В рамках исследования ученые из Университета Миннесоты использовали результаты сканирования магнитно-резонансной томографии (МРТ) и образцы тканей простаты трех пациентов. На основе этих результатов исследователи разработали индивидуальные силиконовые чернила, которые можно кастомизировать для точного соответствия биологическим свойствам ткани простаты конкретного пациента.

Затем эти уникальные чернила были использованы в 3D-принтере, который был специально разработан для этого эксперимента. Также силиконовые органы были снабжены мягкими датчиками, которые также были изготовлены на 3D-принтере.

В ходе эксперимента ученые наблюдали реакцию искусственной простаты во время испытаний на сопротивление сжатию и на применение различных хирургических инструментов.

В будущем исследователи надеются использовать этот новый метод для трехмерной печати искусственных моделей более сложных органов, с использованием нескольких видов силиконовых чернил. Например, если реальный орган пациента имеет опухоль или деформацию, хирурги смогут увидеть это в 3D-печатной модели и протестировать различные стратегии для удаления опухоли и предотвращения осложнений.

Сегодня большинство трехмерных моделей человеческих органов изготавливаются с использованием твердых пластмасс или каучуков, которые не имитируют физико-механические свойства живого аналога, тем самым не давая возможности спрогнозировать поведение органа во время реальной операции.

На что обратить внимание при покупке оборудования для 3D-печати силиконом?

Если вы выбираете 3D-принтер для печати силиконом, то остановите свой выбор на устройстве, которое обладает следующими характеристиками:

Струйный экструдер. Система экструдера с обычным подающим механизмом не подойдет для работы с силиконом, поэтому, прежде чем купить, проверьте, как работает выбранный принтер с различными материалами.
Внутренний нагреватель и насос. Поскольку в 3D-печати используется жидкий силикон, ищите машину, экструдер которой использует как нагреватель, так и насос. Это обеспечит нужную и равномерную консистенцию силикона, а также предотвратит образование комочков или застревание материала при прохождении сквозь сопло.
Короткие прямые трубопроводы. Нагретый силикон должен попадать в экструдер максимально быстро. Сокращение расстояния и количества поворотов на пути к соплу позволит силикону течь равномерно и без внешней помощи.
Закрытая печатная область – обязательный атрибут 3D-принтера для работы с силиконом, поскольку подразумевается процесс вулканизации. Стеклянная камера содержит ультрафиолетовый излучатель, а именно ультрафиолет в таких аппаратах в ответе за вулканизацию, поэтому это – важная функция, если вы собираетесь использовать 3D-принтер для силиконовой печати.
Дозирующие системы. Для работы с силиконом желательно иметь дозирующую систему, типа ViscoTec или аналогичную ей. Системы основаны на принципе «бесконечного поршня», транспортировка и дозирование материала осуществляется практически без пульсаций и с минимальным усилием среза.

Эти требования справедливы, если речь идет о струйной печати жидким силиконом.

Также возможна печать силиконосодержащими фотополимерами, в таком случае конструкция 3D-принтера и требования к нему будут иными — фотополимерная 3D-печать представляет собой послойную полимеризацию жидкого светочувствительного материала под воздействием лазера или проектора. Фотополимерных 3D-принтеров много, выбрать подходящий поможет специализация — для печати силиконом стоит выбрать тот, который был специально создан для нее и в арсенале производителя которого есть специальная силиконовая фотополимерная смола.

Заключение

3D-печать силиконом – все еще развивающаяся технология, и ей еще предстоит пройти долгий путь. Однако, благодаря таким свойствам, как устойчивость к излучению и агрессивным химическим средам, износостойкость, упругость, теплоизоляция и биосовместимость, силикон является одним из наиболее перспективных материалов в аддитивном производстве, которым можно напечатать множество незаменимых вещей.

Выбираете 3D-принтер на производство, в лабораторию или мастерскую? Свяжитесь с нами — мы поможем выбрать максимально подходящее оборудование под ваши требования и задачи.