La tecnologia DLP P3™ di Stratasys con il materiale P3 Silicone 25A (sviluppata con Shin-Etsu) consente la stampa 3D in silicone senza stampi, con proprietà termiche, chimiche e meccaniche identiche a quelle del silicone convenzionale. Superando le sfide legate alla viscosità, alla polimerizzazione e alla deformazione, offre parti durevoli e ripetibili per applicazioni automobilistiche, aerospaziali, industriali e di consumo. I test di invecchiamento accelerato dimostrano una stabilità superiore rispetto alle alternative, rendendolo una svolta per guarnizioni, dispositivi indossabili e utensili personalizzati.
Quando si progetta un componente che deve sigillare, piegarsi, flettersi e resistere in un ambiente difficile, il silicone è spesso il materiale preferito. Tuttavia, la fabbricazione di un componente personalizzato in silicone comporta, in genere, lunghi tempi di consegna, attrezzature costose e flessibilità limitata durante lo sviluppo. Quando si lavora con scadenze strette, questi fattori possono diventare un serio ostacolo.
La stampa 3D in silicone offre una valida alternativa, permettendo di produrre componenti funzionali e di alta qualità senza l’uso di stampi, con la libertà di testare, modificare e realizzare parti su richiesta.
Questo blog spiega come funziona la stampa 3D in silicone, le principali sfide legate alla sua applicazione e i settori in cui sta avendo il maggiore impatto, come quello automobilistico e industriale.
Il silicone è un tipo di elastomero noto per la sua combinazione unica di caratteristiche, tra cui:
A differenza di molti termoplastici o gomme, il silicone può allungarsi e comprimersi senza deformazioni permanenti, anche dopo un'esposizione prolungata a temperature estreme o sostanze chimiche aggressive.
Queste qualità lo rendono un materiale ideale per guarnizioni, alloggiamenti, smorzatori e componenti di protezione in applicazioni automobilistiche e industriali. Per molti ingegneri, la possibilità di utilizzare vero silicone (anziché sostituti) è fondamentale quando i componenti devono resistere al calore, alla compressione o all'esposizione a sostanze chimiche nel tempo. Tuttavia, mentre la tecnologia di stampaggio del silicone è pienamente consolidata, la realizzazione tramite stampa 3D ha storicamente incontrato notevoli difficoltà.
La bassa viscosità e la natura non termoplastica del silicone lo rendono fondamentalmente incompatibile con la maggior parte delle tecnologie di produzione additiva.
I sistemi FDM, ad esempio, si basano sulla fusione e l'estrusione di termoplastici, che si solidificano raffreddandosi. Il silicone, invece, non può essere lavorato in questo modo, perché non si scioglie come i materiali termoplastici.
Le tecniche SLA e altre tecniche di fotopolimerizzazione in vasca richiedono resine induribili con raggi UV che possono indurirsi rapidamente sotto l'esposizione alla luce. Il silicone, tuttavia, non polimerizza in questo modo senza una modifica chimica, che spesso ne compromette le proprietà fondamentali.
Anche quando vengono sviluppate sostanze chimiche adatte alla stampa 3D, i siliconi a bassa viscosità presentano una sfida in termini di controllo di processo. Infatti, tendono a diffondersi in modo imprevedibile prima dell'indurimento, rendendo difficile:
- mantenere la precisione dimensionale;
- ottenere una definizione netta degli strati;
- garantire una superficie uniforme.
Inoltre, dal momento che il silicone mantiene caratteristiche di morbidezza e flessibilità anche dopo la polimerizzazione, i manufatti stampati risultano suscettibili a deformazioni sia durante la stampa sia nel post-trattamento.
L'approccio di Stratasys combina una piattaforma in grado di produrre parti precise e uniformi, Origin® P3™ DLP (Digital Light Processing), con avanzati materiali stampa 3D.
La vera innovazione risiede nella formulazione del materiale. Sviluppato in esclusiva da Shin-Etsu, leader mondiale nella chimica del silicone, P3™ Silicone 25A è un vero silicone, non un suo surrogato. La sua struttura a base di silicio e ossigeno gli conferisce le stesse caratteristiche chimiche e meccaniche del silicone stampato: flessibilità, durata, resistenza chimica e stabilità termica a lungo termine.
La stampa di questo tipo di materiale, tuttavia, richiede comunque un controllo rigoroso del processo, soprattutto per ottenere dettagli precisi e una finitura superficiale di alta qualità. Ciò solleva la domanda:
Il silicone è un materiale caratterizzato da proprietà uniche e la stampa 3D industriale ne amplifica ulteriormente i vantaggi, rispetto ai metodi di produzione tradizionali. Esaminiamo prima i vantaggi offerti dal silicone.
Flessibilità ed elasticità
La struttura molecolare del silicone gli conferisce un'eccezionale flessibilità e un recupero elastico. Può piegarsi, allungarsi, comprimersi e rimbalzare senza rompersi o perdere la forma, rendendolo ideale per applicazioni che richiedono movimenti dinamici. La sua capacità di mantenere la forma e le prestazioni dopo cicli ripetuti lo distingue dagli elastomeri termoplastici.
Stabilità termica
Il silicone offre prestazioni affidabili in un ampio intervallo di temperature, con un'eccezionale stabilità meccanica e chimica. Rimane flessibile alle basse temperature senza diventare eccessivamente morbido alle alte temperature, rendendolo particolarmente adatto per le guarnizioni. Questa resistenza termica è preziosa in ambito automobilistico, aerospaziale e industriale, dove i componenti sono spesso esposti a cicli termici o a uno stress termico costante.
Resistenza chimica e ambientale
Il silicone si distingue da molte gomme e plastiche grazie alla sua eccellente resistenza a sostanze chimiche, solventi, oli, radiazioni UV, umidità e infiltrazioni. Questo lo rende ideale per applicazioni all'aperto, ambienti di lavorazione difficili e situazioni che comportano il contatto con fluidi. Gli usi comuni includono guarnizioni, O-ring e coperture protettive. Ovunque sia essenziale la resistenza alle sostanze chimiche, agli oli o agli agenti atmosferici.
Durata e resistenza meccanica
Nonostante la sua morbidezza, il silicone è noto per elevata resistenza allo strappo, stabilità dimensionale e tolleranza alla fatica sia sotto carichi statici sia dinamici. Non diventa fragile nel tempo e resiste bene alla compressione o alla flessione ripetuta, anche in sezioni sottili. Questo lo rende una scelta robusta in un'ampia varietà di applicazioni.
Il silicone può essere formulato per soddisfare gli standard di biocompatibilità, come la citotossicità. Questo rende il silicone un materiale affidabile in applicazioni che prevedono il contatto con la pelle, come dispositivi indossabili di consumo e dispositivi medici.
When it comes to producing silicone components, additive manufacturing poses several benefits over other methods. Its speed, efficiency, and design flexibility in particular make AM useful for tooling and low volume silicone production.
No Tooling Required
Silicone parts typically require injection mold inserts or compression tooling, which are both time-intensive and expensive to produce, especially for low volumes, customization or test runs. With 3D printing, parts can be produced directly from a CAD model, eliminating the need for hard tooling. What this means for you:
Design Freedom
Silicone molding has inherent limitations: undercuts, thin walls, and internal channels often require complex mold designs, parting lines, or multi-step fabrication. 3D printing removes many of those constraints, allowing engineers to:
This opens new possibilities for designing elastomer components optimized for performance, not manufacturability.
Per le aziende che producono centinaia o migliaia di pezzi, la produzione tradizionale in silicone spesso non riesce a garantire un buon equilibrio tra costi, velocità e flessibilità. La stampa 3D in silicone offre un'alternativa pratica quando i volumi di produzione sono troppo bassi per giustificare lo stampaggio a iniezione.
È una soluzione conveniente su piccola scala, poiché evita l’aumento del costo per pezzo tipico della produzione in stampi. Inoltre, permette la personalizzazione, consentendo di realizzare in un’unica sessione di stampa varianti di design o geometrie diverse, adattate alle esigenze del cliente.
Grazie a queste caratteristiche, la stampa 3D è ideale per la produzione ponte, i progetti pilota e i test di mercato. Offre ai team la libertà di passare dal prototipo al prodotto finale senza i tradizionali rallentamenti e costi della produzione convenzionale.
Uno dei vantaggi più importanti della stampa 3D in silicone è la possibilità di creare componenti completamente personalizzati. Visto che la produzione non richiede stampi o utensili, ogni progetto può essere unico, senza costi aggiuntivi o ritardi. Questa capacità è particolarmente preziosa in ambito medico o nella produzione di prodotti di consumo. Settori in cui il comfort, l'adattabilità e i requisiti specifici del paziente sono importanti. Ecco alcuni esempi:
- Dispositivi indossabili; è possibile creare cinturini e impugnature, migliorando sia il comfort sia le prestazioni.
- Dispositivi medici; è possibile realizzare guarnizioni in silicone stampate in 3D per il singolo paziente, componenti morbidi al tatto e interfacce biocompatibili, prodotti su richiesta. Questa flessibilità consente di ottenere risultati clinici più efficaci e di adattarsi rapidamente alle specifiche esigenze terapeutiche.
- Prodotti di consumo; la stampa 3D offre ergonomia, design e funzionalità personalizzate su larga scala, riducendo tempi e costi rispetto ai metodi di produzione tradizionali.
Eliminando i limiti imposti dagli stampi, la stampa 3D in silicone consente una vera personalizzazione di massa. Può essere utilizzata per realizzare un singolo dispositivo per un paziente, o piccole produzioni destinate a test di mercato oppure per intere linee di prodotti progettate per adattarsi alle caratteristiche e al comfort individuale.
La produzione additiva è intrinsecamente meno dispendiosa rispetto ai metodi tradizionali di produzione, come le lavorazioni per asportazione o lo stampaggio. Il silicone viene stampato solo dove necessario, con un minimo di eccedenze. Ulteriori vantaggi includono:
Per le organizzazioni che puntano a operazioni snelle o che hanno obiettivi in termini di sostenibilità, la stampa 3D offre il metodo più agile per produrre componenti in silicone.
I componenti automobilistici sono spesso esposti ad ambienti difficili e ad alte temperature, come i vani motore e i gruppi sottoscocca. La naturale resistenza alla temperatura del silicone lo rende particolarmente adatto a queste esigenze, dove la stabilità termica è imprescindibile.
Le applicazioni principali includono:
Oltre alle prestazioni termiche, la produzione additiva consente di stampare solo ciò che è necessario, senza dover immagazzinare pezzi di ricambio o stampi grandi e costosi. Ciò è particolarmente utile per i ricambi aftermarket o per quando è richiesta una produzione flessibile con volumi variabili.
Nei settori aerospaziale, ferroviario e, più in generale, in quello dei trasporti, i materiali devono soddisfare severi requisiti in materia di infiammabilità, emissione di fumi e tossicità (FST), garantendo al contempo elevate prestazioni meccaniche anche in ambienti difficili.
La naturale resistenza al calore e la stabilità chimica del silicone, unite alle più recenti formulazioni ignifughe (FR), ne fanno un materiale ideale per queste applicazioni. Le applicazioni tipiche includono:
Sfruttando la produzione additiva, gli operatori del settore aerospaziale e ferroviario possono produrre componenti certificati su richiesta, ridurre le scorte di ricambi a bassa rotazione e adattare i progetti a specifiche configurazioni di flotte, il tutto nel rispetto degli standard normativi FST.
Nei settori manifatturiero, energetico e delle attrezzature pesanti, come quello petrolifero e del gas, i componenti in elastomero sono spesso collocati in ambienti chimicamente aggressivi o fisicamente impegnativi. Il silicone è il candidato ideale per:
La resistenza del silicone ai raggi UV, all'ozono, ai solventi e agli sbalzi termici gli conferisce una durata maggiore rispetto a molti materiali alternativi. E con la stampa 3D, ora è possibile:
Rispetto alla tradizionale fusione o stampaggio, la stampa 3d silicone offre un percorso più rapido ed economico per ottenere parti in elastomero funzionali e pronte per l'uso.
Prodotti di consumo: silicone biocompatibile per la stampa 3D (H3)
Nel settore dei beni di consumo, dalla cura della persona ai prodotti indossabili, i produttori apprezzano il silicone per la sua morbidezza al tatto, la sicurezza per la pelle e la flessibilità. Quando viene stampato in 3D, il silicone diventa uno strumento potente per:
La produzione additiva in silicone consente di adattare più rapidamente forme, dimensioni e caratteristiche estetiche, senza alcun investimento in attrezzature o stampi.
Inoltre, quando il silicone è formulato per essere biocompatibile, si apre la possibilità di realizzare prodotti destinati al contatto con la pelle.
Per gli ingegneri e i team di produzione, la stampa 3D in silicone offre una combinazione rara di creatività, comfort e prestazioni.
Il silicone non è un materiale facile da stampare in 3D, questo è uno dei motivi per cui il materiale P3 Silicone 25A rappresenta una svolta così importante. La sua morbidezza, il suo comportamento e i suoi requisiti di polimerizzazione pongono sfide uniche che storicamente hanno reso il vero silicone, e persino molti elastomeri, incompatibili con la produzione additiva. Stratasys ha individuato e risolto le tre principali sfide della stampa 3D in silicone.
I siliconi morbidi presentano spesso una bassa viscosità, il che significa che possono fluire o espandersi in modo imprevedibile una volta depositati. Questo rende difficile controllare il posizionamento del materiale, specialmente in presenza di pareti sottili o di dettagli complessi. Se non gestito correttamente, il risultato sarà connotato da una scarsa precisione dimensionale e una perdita di definizione.
La soluzione di Stratasys
Il processo di stampa P3 DLP utilizza un controllo preciso della luce e un azionamento meccanico per gestire il flusso e i tempi di polimerizzazione, garantendo una costruzione stabile strato dopo strato.
La formulazione del silicone è stata sviluppata in collaborazione con Shin-Etsu, leader mondiale nella chimica del silicone fondata nel 1926. Con quasi un secolo di esperienza, Shin-Etsu ha progettato il silicone P3 25A per raggiungere un equilibrio ottimale tra fluidità e stabilità. Ciò consente una stampa 3D in silicone pulita, priva di cedimenti o espansioni fuori controllo.
I materiali morbidi possono deformarsi durante la stampa, con ripercussioni sia sulla tolleranza sia sulla finitura. Una scarsa qualità della superficie non è solo un problema estetico, può influire sulla tenuta, sull'attrito e sulle prestazioni complessive del pezzo.
La soluzione di Stratasys:
La tecnologia P3 consente una stampa ad alta risoluzione con finiture superficiali lisce che si avvicinano molto alla qualità dei pezzi ottenuti tramite stampaggio. I controlli di processo a ciclo chiuso riducono la variabilità tra i pezzi, garantendo ripetibilità, aspetto particolarmente importante in attività di R&S e nella produzione a basso volume, dove la costanza delle prestazioni è fondamentale.
Il silicone richiede un'attenta polimerizzazione per ottenere le sue proprietà meccaniche finali. Una polimerizzazione incoerente o incompleta può portare a punti morbidi o a una durata ridotta. Allo stesso tempo, il silicone può essere “sovrapolimerizzato”. Se polimerizzato troppo a lungo, può aumentare il valore Shore, indurendo la gomma oltre il livello di morbidezza desiderato.
Il cuore della soluzione di stampa 3D in silicone di Stratasys è la tecnologia P3 DLP (digital light processing), un processo di fotopolimerizzazione controllato. Ciò offre un elevato livello di dettaglio, un'eccellente qualità della superficie e una precisione ripetibile dei pezzi. A differenza delle piattaforme DLP aperte, la tecnologia P3 incorpora un controllo meccanico e della luce a circuito chiuso, consentendo una qualità costante dei pezzi anche quando si lavora con materiali più difficili come gli elastomeri.
Questo processo consente di ottenere componenti rifiniti, con qualità superficiale paragonabile a quella dei pezzi prodotti mediante stampaggio a iniezione. L’affidabilità e la precisione rendono la tecnologia P3 DLP ideale per la produzione di attrezzature e di volumi medio-bassi, dove lo stampaggio a iniezione tradizionale sarebbe troppo costoso e lento.
Il solo processo di stampa 3D, tuttavia, non è sufficiente per garantire un silicone di alta qualità. Ciò che distingue davvero Stratasys è il materiale.
Il P3 Silicone 25A, sviluppato in collaborazione con Shin-Etsu, è vero silicone, non un elastomero “simile al silicone”. La sua struttura a base di silicio e ossigeno gli conferisce le proprietà termiche, meccaniche e chimiche che gli ingegneri si aspettano dalla gomma siliconica convenzionale. Queste includono:
Quando si sceglie un materiale siliconico per la stampa 3D, bisogna assicurarsi che mantenga le sue proprietà nel tempo. Quindi, bisogna controllare i dati sulle prestazioni, con particolare attenzione ai test di invecchiamento. A differenza degli elastomeri termoplastici o termoindurenti, i siliconi sono progettati per mantenere le loro proprietà a lungo termine, anche dopo molte ore di esposizione ad alte temperature. L'offerta di Stratasys garantisce le prestazioni a lungo termine, in particolare per applicazioni esigenti, come nel settore automobilistico, industriale e dei beni di consumo.
Il silicone P3™ 25A offre tutte le proprietà che gli ingegneri si aspettano dal vero silicone: prestazioni meccaniche, ampio intervallo di temperature, conformità alle normative e qualità pari a quella dello stampaggio a iniezione. Con esso è possibile produrre parti che eguagliano la flessibilità, la resistenza termica e chimica, la durata e la conformità delle loro controparti stampate, senza i tempi di consegna, i costi di attrezzaggio o i vincoli di progettazione della produzione tradizionale.
Ciò significa che è possibile creare parti o componenti in silicone in volumi ridotti o lotti personalizzati, sapendo che ciascuno di essi avrà le stesse prestazioni e lo stesso comportamento della sua alternativa stampata a iniezione. Dalle guarnizioni e guarnizioni ai dispositivi indossabili ergonomici, è possibile ottenere un adattamento preciso, una qualità costante e prestazioni affidabili a lungo termine, il tutto sfruttando la velocità, l'agilità e la libertà di progettazione della produzione additiva.
Inoltre, il materiale garantisce la conformità normativa richiesta in diversi settori, dalla FST/FR alla biocompatibilità. E grazie ai progressi sia nei materiali che nel controllo del processo di stampa, la tecnologia è ora abbastanza matura per la produzione nel mondo reale.
Che si tratti di produrre piccoli lotti, personalizzare un pezzo in piccoli volumi o risolvere una geometria unica che lo stampaggio non è in grado di soddisfare, la stampa 3D in silicone offre un modo più agile ed economico per raggiungere l'obiettivo.
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