Additive Fertigung mit Silikon

3D-Druck ist eine Trendtechnologie, die für Produktentwickler besonders interessant ist. Doch die Palette der Materialien ist begrenzt. Bisher lassen sich vor allem Kunststoffe und Metalle drucken. Nun steht ein Verfahren zur Verfügung, mit dem sich auch Objekte aus Silikon im 3D-Druck fertigen lassen. Schicht für Schicht setzt ein Roboter aus einer Düse winzige Tröpfchen nebeneinander ab. Anschließend wird das Silikon mit ultraviolettem Licht vulkanisiert. Dabei entstehen homogene Körper mit einer nahezu glatten Oberfläche. Das Material ist biokompatibel, temperaturbeständig und transparent. Damit eröffnet das Verfahren neue Anwendungsfelder in den Industriebereichen Automobil, Medizin, Haushalt und Optik. Nach Meinung der Rohstoffexperten ist der 3D-Druck mit Silikon ein riesiger Markt.
Die Lösung für den 3D-Druck mit Silikon hat Maximilian Peter gemeinsam mit seinen Kollegen von Wacker Silicones und Fachleuten der Firma Enders Ingenieure aus dem niederbayerischen Ergolding entwickelt. „Elastomere, also gummiartige Substanzen, konnte man bisher nicht drucken. Es gab einfach kein geeignetes Verfahren dafür“, erläutert Dr. Bernd Pachaly, Leiter der Silikonforschung im Geschäftsbereich Wacker Silicones, München. Formteile aus Silikon konnten bisher nur im kostspieligen Spritzgussverfahren gefertigt werden. Dazu bedarf es eines eigenen Werkzeugs, und dessen Herstellung lohnt sich nur für größere Stückzahlen. „Spritzguss ist das etablierte Verfahren für die Serienproduktion. Das wird auch so bleiben“, sagt Pachaly. „Aber diejenigen, die Prototypen entwerfen oder nur wenige Exemplare eines Bauteils produzieren wollen, können solche Kleinserien jetzt schnell und flexibel fertigen und dabei immer neuen Anforderungen anpassen. Darin besteht der eigentliche Mehrwert des Verfahrens.“ Damit schließt Silikon mit der neuen Technologie zu Materialien wie thermoplastisch verformbaren Kunststoffen, Metallen und Keramiken auf. Bei ihnen ist der 3D-Druck schon länger möglich. Er gilt als eine der Schlüsseltechnologien der Zukunft und begeistert viele. Der Fantasie sind fast keine Grenzen gesetzt: Kreative Entwickler und technikaffine Designer drucken ihre Objekte entsprechend dreidimensionaler Designvorlagen. Und längst gibt es auch spezialisierte Unternehmen, die zum Beispiel Filmkulissen oder Schmuck, Prothesen oder Spielzeug fertigen. Nicht zu vergessen Ersatzteile aller Art, Prototypen und Kleinserien, für die der 3D-Druck ursprünglich entwickelt wurde.

Bild 2: Grafische Darstellung des 3D-Verfahrens: Im ersten Schritt wird das anzufertigende Bauteil mit Hilfe eines Computerprogramms gezeich¬net. Nach der Berechnung der Raum¬koordinaten (Schritt 2) werden die Druckanweisungen berechnet (Schritt 3). Der Druckroboter führt anschließend die Druckanweisungen präzise aus und schichtet punktgenau das Silicon (Schritt 4). So entsteht aus dem Computermodell Schicht für Schicht ein dreidimensionales Bauteil aus Silikon.

Wachstumsmarkt 3D-Druck

Den Markt für die additive Fertigung schätzen Experten für das Jahr 2014 auf rund 3,8 Milliarden US-Dollar weltweit, mit einer rasanten Steigerungsrate von 30 Prozent und mehr pro Jahr. Davon entfällt nicht einmal die Hälfte auf die Hardware, also Drucker und Materialien. Dienstleistungen wie Produktentwicklung und Kundenlösungen sind als Markt noch wichtiger. In den USA haben Forscher und Unternehmer den Trend zur additiven Fertigung bereits erkannt. 150.000 Drucker gibt es dort bereits – sogar Kinder experimentieren damit in Grundschulen. Deutschland ist da noch längst nicht so weit. Zwar haben sich im April 2015 in Hamburg die Politiker der dortigen Koalition erstmals auf eine „3D-Druck-Strategie“ verpflichtet. Bundesweit fehlt jedoch eine strategische Förderung, wie die „Expertenkommission Forschung und Innovation“ der Berliner Regierung einen Monat zuvor ins Stammbuch schrieb. Auch der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) sieht in seinem Statusreport „Additive Fertigungsverfahren“ Handlungsbedarf. Vor allem sollten noch mehr Werkstoffe drucktauglich werden, die Maschinen sollten leistungsfähiger und die Prozesse stärker integriert und automatisiert sein, mahnten die Fachleute im Herbst 2014.

Vulkanisation per UV-Licht

Für den 3D-Druck von Silikon mussten die Rohstoffexperten und Ingenieure eine grundlegend neue Lösung austüfteln. Denn das Material schmilzt in der Hitze nicht, wie das thermoplastische Kunststoffe oder Metalle tun. Man kann also nicht einfach Schicht für Schicht als Pulver auftragen und entsprechend der gewünschten dreidimensionalen Form mit einem Laserstrahl verschmelzen. Die Experten haben sich schließlich für ein Verfahren entschieden, bei dem die robotergesteuerte Maschine aus einer Düse zügig ein Tröpfchen Silikon nach dem anderen auf einer Unterlage absetzt – ähnlich wie beim Tintenstrahldruck auf Papier. Regelmäßig hält der Roboter kurz an und ein UV-Lichtstrahl wandert über die winzigen Tropfen. Die sind zu einem schmalen Streifen zusammengeflossen. Nun wird das Silikon in weniger als einer Sekunde im ultravioletten Licht vulkanisiert. Dabei vernetzen die Moleküle zu einer gummielastischen Substanz. Anschließend trägt der Roboter die nächste Lage aus Silikontröpfchen auf. Das 3D-Verfahren funktioniert wie ein Tintenstrahldrucker: Die Düse setzt ein Tröpfchen nach dem anderen exakt dort ab, wo es das Computerprogramm vorgibt (Bilder a und b). So entsteht, Schicht für Schicht, aus der virtuellen Zeichnung ein dreidimensionales Formteil aus Silikon.

Silikon­rezeptur – dosierfähig und standfest

Dank der Vulkanisation entsteht ein homogener Körper, denn das zähflüssige Material verbindet sich gleich nach dem Auftragen auch mit den Schichten, die unmittelbar daneben oder darunter liegen. In einer guten Viertelstunde sind kleinere Objekte von einem Zentimeter Länge und einigen Millimeter Dicke hergestellt. Größere Objekte zu fertigen dauert entsprechend länger. Doch langfristig wollen die Entwickler in einer Stunde rund 100 g Silikon ausdrucken. Der Roboter erzeugt sehr feine Strukturen: Der Silikonstreifen ist etwa 0,6 mm breit und dabei nur halb so hoch. Das macht die Herstellung äußerst genauer Konturen möglich und ergibt eine Oberfläche, die bei angenehmer Haptik nahezu eben ist. „Die Rauigkeit kann noch besser werden als 100 Mikrometer“, betont Pachaly. Das ist kaum mehr als Haaresbreite und deutlich glatter als bei gedruckten Kunststoffen. Fast wie mit Spritzguss hergestellt sehen die Objekte aus – die additive Fertigung sieht man ihnen kaum an. Um das zu erreichen, musste Silikonentwickler Dr. Ernst Selbertinger eine Formulierung entwickeln, die sich als winziges flüssiges Tröpfchen dosieren lässt und anschließend sofort an Ort und Stelle stehen bleibt. „Man kann sich das so vorstellen wie bei der Zahncreme: in der Tube unter Druck flüssig wird sie auf der Zahnbürste wieder standfest“, erklärt der Chemiker. Mehr verrät er nicht über die Mischung – nur dass ein Platinkatalysator enthalten ist, der die Vernetzung der Moleküle im UV-Licht bewerkstelligt.

Nasenpad auf Knopfdruck gedruckt

Kleinserien und Einzelstücke lassen sich mit dem 3D-Druck deutlich schneller fertigen als mit herkömmlichen Techniken. Etwa Prototypen und Ersatzteile für die zahlreichen Silikonelemente, die in jedem Auto stecken: Stecker, Schläuche und vieles mehr. „Im Automobilsektor wird die aufwändige Lagerhaltung von Silikonteilen überflüssig werden“, davon ist Bernd Pachaly überzeugt. Auch die Medizin interessiert sich für das biokompatible Material. Etwa für Implantate, die sogar während einer Operation passend für den Patienten gefertigt werden könnten – nach den Daten, die bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomografie liefern. Auch individuell hergestellte Atemmasken und Hörgeräte aus Silikon sollen schon bald im 3D-Druck hergestellt werden. Und, was alle Brillenträger freuen wird: Nasenpolster, die wirklich passen. Die Vision: Der Optiker braucht nur noch mit einem Laser die dreidimensionale Kontur der Nase zu erfassen und sie in einen 3D-Drucker einzulesen, der sofort das perfekt sitzende Pad herstellt. Für den Haushalt sind zum Beispiel Backformen mit dem eigenen Namenszug denkbar. Silikon ist bekanntlich temperaturbeständig. Weil es zudem wegen seiner Transparenz geschätzt wird, denken die Forscher auch an optische Anwendungen wie maßgeschneidert gedruckte Linsen.

Vom Rohstoff- zum Systemanbieter

Silicon 3D-Druck, Fa. Enders, Ergolding

Der Markt für gedrucktes Silikon ist riesig, da sind sich die Entwickler sicher.  „Wir haben viele Ideen und wollen unseren Kunden mehr zur Verfügung stellen, als nur das Silikon für die additive Fertigung“, sagt Bernd Pachaly. Das bedeutet: Wenn ein Unternehmen ein bestimmtes Produkt aus Silikon drucken möchte, muss es nicht erst mit großem Aufwand ein neues Verfahren entwickeln. Der Rohstoffhersteller wird sich in naher Zukunft um die Systemlösung kümmern können, also um geeignete Maschinen und die passende Software – und damit mehr Leistungen anbieten. „Bald wird es nicht mehr ausreichen, den Kunden Gebinde mit Chemikalien vor die Werkshalle zu stellen“, so die Einschätzung des Innovationsleiters. Wertschöpfung wird zukünftig vor allem durch kundenorientierte Gesamtlösungen möglich. Und dafür eignet sich der 3D-Druck von Silikon hervorragend.