Перейти к содержимому

Как отливать силиконовые детали в напечатанные на 3D-принтере формы

Силикон является популярным материалом для изготовления мягких деталей конечного использования для широкого спектра применений, включая индивидуальные слуховые аппараты, реквизит для кино и телевидения, протезы, ручки и рукоятки для потребительских товаров и многое другое.

В данной статье представлен обзор напечатанных инструментов для производства силиконовых деталей, включая двухкомпонентные формы для литья под давлением, многокомпонентные формы, пресс-формы. Эти методы могут быть использованы для создания прототипов мягких силиконовых изделий, мелкосерийного производства бета-версий изделий для клиентов или производства пользовательских товаров для конечного использования. 

Литье силикона с помощью напечатанной оснастки

Традиционные формы для производства силиконовых деталей изготавливаются на станках с ЧПУ из блоков алюминия или стали. К ним относятся двухкомпонентные или многокомпонентные литьевые формы для жидких силиконовых каучуков (LSR) или однополостные компрессионные формы, используемые с силиконовым листом термоотверждаемой резины (HCR), которая отверждается под давлением и высокой температурой.

Обычно такие типы металлических форм используются в массовом производстве, однако при использовании для изготовления прототипов время изготовления составляет несколько недель, а предварительные затраты на оснастку - от сотен до тысяч долларов - ограничивают возможности конструктора по внедрению и тестированию небольших изменений в конструкции формы. 

3D-печать — это мощное решение для быстрого и недорогого изготовления инструментов. Она требует очень ограниченного количества оборудования, что позволяет квалифицированным операторам сосредоточить внимание на других важных задачах. С помощью собственной 3D-печати производители и разработчики продукции могут внедрить быструю оснастку в процесс разработки продукции для проверки дизайна и выбора материала до перехода к серийному производству. Они могут быстро проводить итерации, ускорять разработку продукции и выводить на рынок более качественные продукты.

Силиконовые детали, изготовленные с помощью напечатанных на SLA 3D-принтерах Formlabs форм. 

Технология 3D-печати SLA является отличным выбором для изготовления оснастки для силиконовых форм. SLA модели характеризуются гладкой поверхностью и высокой точностью. Силиконовые каучуки RTV фиксируют мелкие детали поверхности, включая дефекты, поэтому качество поверхности инструмента напрямую отражается на качестве поверхности конечной детали. Например, пресс-форма, напечатанная с помощью FDM принтеров, оставит на силиконовой детали видимые линии слоев.

Formlabs Clear Resin (или другие прозрачные смолы, такие как Biomed Clear Resin) позволяет визуализировать процесс впрыска силикона, позволяя дизайнерам оценить образование пузырей и пустот и определить области, где необходимо добавить угловые галтели или дополнительные вентиляционные отверстия.

Двухкомпонентная форма, напечатанная с помощью смолы Clear Resin, для введения силикона и изготовления современных протезов от PSYONIC.

SLA 3D-печать также дает преимущество при усложнении конструкции. Напечатанная форма позволяет конструкторам использовать преимущества подрезов и других сложных геометрических форм, которые невозможно или непомерно дорого изготовить с помощью ЧПУ.

Смола Formlabs Clear Resin также весьма универсальна по своим механическим характеристикам. Один и тот же материал может быть использован для изготовления чрезвычайно тонкой скорлупы, которая легко откалывается от заказной силиконовой детали, или для прочной компрессионной формы, которая используется многократно для производства прокладок. Наконец, использование доступного производства сокращает время изготовления; дизайнер может распечатать геометрию формы и начать впрыскивать силикон на следующий день. 

При использовании с напечатанными формами, силиконовая резина RTV передает мелкие детали поверхности, включая рельефный текст. Кроме того, большинство литьевых силиконов не обладают химической адгезией и после отверждения отслаиваются от поверхности формы. Механическое сцепление может быть достигнуто путем литья на высокопористые поверхности, такие как ткань, а в некоторых случаях химическое сцепление может быть достигнуто с помощью специализированных связующих.

В данном видео Мак Мор, старший инженер по продукции компании OXO, объясняет, как компания использует 3D-печать для быстрого изготовления реальных силиконовых деталей, и проводит быструю демонстрацию литья силикона. 

Техники изготовления форм для литья силикона

Поскольку обработка силикона RTV не требует высокой температуры или давления, его можно легко формировать с помощью ограниченного оборудования в лаборатории прототипирования, что снижает начальные затраты, необходимые для внедрения мягких деталей в портфолио дизайна любой компании.

Существуют различные вариации методов производства силиконовых деталей для достижения различных результатов. К ним относятся:

  • Компрессионное формование

При компрессионном формовании быстротвердеющая силиконовая шпаклевка набивается с двух сторон в напечатанную форму, которая скрепляется настольными тисками. Этот метод часто используется для изготовления прототипов прокладок и близко имитирует оснастку, используемую в массовом производстве.

Компания OXO использует компрессионное формование для создания прототипов мягких компонентов, таких как водонепроницаемые прокладки.

  • Формование с инжекционным наполнением

Литье под давлением является наиболее распространенным методом, используемым для формирования одного непрерывного силиконового прототипа с помощью двухкомпонентной или многокомпонентной формы. Во многих случаях форма имеет такую конфигурацию, которая благодаря гравитации способствует процессу заполнения силиконом. Силикон впрыскивается в канал в верхней части формы, и полость формы постепенно заполняется снизу. В конце концов жидкий силикон выходит через выпускные и воздушные каналы в верхней части формы.

Glassboard использует силиконовые литьевые формы с гравитационным наполнением для очень широкого спектра прототипов - от силиконовых менструальных чашек до нестандартных фитингов, пресс-форм, уплотнений, прокладок и уплотнительных колец.

  • Формование

Поверхностное литье идеально подходит для полной или частичной герметизации оборудования силиконом. Аппаратный компонент подвешивается в форме, состоящей из двух или нескольких частей, а затем в полость формы впрыскивается жидкий силикон, полностью или частично облегающий аппаратное обеспечение.

Компания Dame Products использует силиконовое литье с напечатанной формой для производства бета-прототипов для клиентов.

  • Формование «яичной скорлупы»

Форма представляет собой тонкую (<1 мм) оболочку, которая конформно охватывает целевую полость для впрыска силикона. После затвердевания силикона, напечатанная форма, похожая на скорлупу, раскалывается, обнажая силиконовую деталь. Поскольку это одноразовая форма, которая не может быть использована повторно, такая техника используется для создания одной единственной индивидуальной детали.

Команда Cosm обратилась к конформным формам в виде яичной скорлупы, которые заполняются медицинским силиконом, а затем раскалываются, чтобы изготовить силиконовые имплантаты для конкретного пациента. 

Хотя результат каждого процесса литья может выглядеть одинаково, существует несколько критериев, которые рекомендовано использовать при выборе типа формы. К ним относятся геометрия целевой детали и возможность размещения в конструкции подрезов и отверстий, масштаб производства и материалы, которые Вы собираетесь отливать. В таблице ниже приведено несколько рекомендаций.

Изготовление силиконовых форм для литья: поэтапный процесс

Для того чтобы изготовить небольшое количество силиконовых деталей собственными силами, быстро и недорого, с помощью 3D-печати, ознакомьтесь со следующим пошаговым процессом изготовления формы для литья силикона.

В данном примере мы создадим форму для изготовления брелока со встроенным устройством Apple AirTag. 

Необходимые материалы и оборудование 

Материалы:

  • Formlabs Clear Resin
  • Dragon Skin 20 (Pt-cure) от Smooth-On
  • Цветной пигмент Silc-Pig
  • Глянцевый акриловый спрей Krylon
  • Ease Release 200
  • Капсулированное оборудование, в данном случае Apple Airtag

Оборудование:

  • SLA 3D-принтер Formlabs
  • Картридж с эпоксидной смолой (50:50)
  • Эпоксидный пистолет
  • Насадка для смешивания
  • Пружинный зажим
  • Вакуумная камера и насос*
  • Напорный бак* 

*Опционально

  1. Проектирование CAD-модели

Во-первых, вам понадобится CAD-модель конечной детали. Этого можно добиться путем проектирования модели с помощью программного обеспечения CAD или даже обратного проектирования существующей физической детали с помощью 3D-сканирования.

В данном примере пресс-форма для изготовления брелока со встроенным устройством Apple AirTag, поэтому использовалась цифровая копия устройства Apple AirTag.

  1. Проектирование формы для литья силикона

В техническом документе Formlabs содержится пошаговое руководство по проектированию напечатанной оснастки для данного проекта. Эти основные этапы проектирования и лучшие практики применимы к любой форме, заполняемой под давлением, или литьевой форме с гравитационным заполнением:

  1. Спроектируйте базовый объем, включая любое инкапсулированное оборудование.
  2. Определите линию разъема и разделите пресс-форму
  3. Извлеките базовый объем из пресс-формы
  4. Спроектируйте силиконовый затвор для заливки
  5. Определите вентиляционные отверстия
  6. Добавьте элементы выравнивания для фиксации инкапсулированной фурнитуры
  7. Добавьте элементы регистрации для сопряжения двух блоков пресс-формы
  8. Спроектируйте силиконовое донышко
  9. Модифицируйте затвор для размещения шприца
  10. Создайте точки отрыва на внешней стороне формы

Базовая 3D-модель с инкапсулированным оборудованием.

Окончательная форма разработана в CAD. 

  1. 3D-печать формы

В зависимости от необходимого размера вы можете использовать один из 3D-принтеров Formlabs для печати: Form 3+ для небольших форм или Form 3L для крупных моделей.

Что касается выбора смолы, подходят многие доступные, однако Clear Resin или Biomed Clear Resin - отличные варианты для визуализации потока силикона при отливке детали.

С помощью ПО PreForm Вы можете автоматически подготовить модель к печати и отправить ее на принтер. Рекомендована печать с высотой слоя 50 микрон для достижения хорошего баланса между гладкой текстурой поверхности и быстрым временем печати.

 Подготовка формы для литья силикона для 3D-печати с автоматической генерацией опор на PreForm.

Поскольку силикон улавливает мелкие детали на поверхности, включая линии слоя, для некоторых эстетических приложений может потребоваться высота слоя 25 микрон. Ориентируйте детали на платформе таким образом, чтобы критические внутренние поверхности были свободны от поддержек. В некоторых случаях может помочь плоское размещение пресс-формы на печатающей платформе.

После того как форма напечатается, промойте ее в Form Wash и засветите c помощью камеры УФ-засветки Form Cure, а после удалите поддержки.

  1. Сборка и заполнение формы

Подготовьте форму к литью, нанеся защитные покрытия и разделитель формы. Используйте разделитель формы в тех случаях, когда два разных материала вступают в контакт друг с другом. Это относится и к встроенному оборудованию, которое вы планируете вставлять и извлекать из силиконовой оболочки. 

Следуйте указаниям на упаковке материала и дождитесь полного отверждения или высыхания покрытия, прежде чем переходить к следующему шагу.

Осторожно зажмите форму, начиная с направления протяжки, следя за тем, чтобы масса формы и все инкапсулированные объекты оставались на одной линии.

Зажатие и заполнение силиконовой формы для литья

  1. Де-формование и отделка

Затем отформуйте и обрежьте силиконовую деталь. Это нормально, если внутри и вокруг линии разъема образуются излишки силикона. Сначала необходимо удалить излишки силикона с внешней стороны формы. Откройте форму, вставив плоскую отвертку или другой плоский инструмент в место отрыва и осторожно повернув его, чтобы сломать уплотнение. Удалите силиконовую часть, помня о том, что часть силикона, возможно, придется аккуратно обрезать от вентиляционных отверстий.

Извлечение из формы и обрезка излишек силикона, и окончательный вариант брелка со встроенным устройством Apple AirTag, изготовленный с помощью 3D-печати и силиконового литья.

После извлечения силиконовой детали из формы используйте острую бритву или кусачки для обрезки излишек силикона. Оставшиеся неровности можно аккуратно удалить влажной мелкозернистой наждачной бумагой. Наконец, можно промыть деталь водой с мылом, чтобы удалить остатки наждачной бумаги и остатки фиксатора формы.

В зависимости от типа, форму можно использовать несколько раз. Возможно, Вам придется очистить вентиляционные отверстия острым инструментом и/или повторно нанести разделитель формы, прежде чем снова заполнять силиконом.

Вполне нормально пройти через несколько итераций дизайна формы после того, как вы попробуете полный сквозной рабочий процесс. Несколько изменений в конструкции, которые вам, возможно, придется рассмотреть, включают увеличение расстояния смещения между сопрягаемыми элементами, перемещение выравнивающих штифтов для обеспечения полного ограничения инкапсулированных объектов или добавление вентиляционных отверстий в местах, которые имеют тенденцию задерживать пузырьки воздуха во время заполнения. 

Приступайте к изготовлению силиконовых деталей с помощью 3D-принтеров Formlabs

Независимо от того, делаете ли вы силиконовые детали с помощью напечатанных форм, создаете формы из других материалов или непосредственно печатаете мягкими материалами, например, как линейка эластичных полимеров Formlabs, Flexible и Elastic, 3D-печать может помочь в этом процессе.

Простая в использовании эко-система Formlabs значительно упростит начало работы с формами для производства силиконовых деталей.

Предыдущая статья 3D-принтеры для большой печати: сравнение UltiMaker S5 и BCN3D Epsilon W27