シリコーンを3Dプリントする：本物のシリコーンを使った造形は可能か？

ストラタシスの DLP-P3™技術とP3 Silicone 25A（信越化学工業と共同開発）により、金型不要の本格的なシリコーンによる3Dプリント造形を実現。従来のシリコーンと同等の熱的・化学的・機械的特性を備えています。粘度、硬化、変形といった課題を克服し、自動車、航空宇宙、産業、民生用途向けに耐久性、再現性のある部品を提供します。加速試験では代替品よりも優れた安定性を示し、シール、ガスケット、ウェアラブル機器、カスタム工具における画期的な技術です。

シール性、屈曲性、柔軟性、過酷な環境下での耐久性が求められる部品設計において、シリコーンは最適な材料です。しかしカスタムシリコーン部品の製造には通常、長いリードタイム、高価な金型、開発段階での柔軟性の制限が伴います。納期が厳しい状況下ではこれが重大なボトルネックとなり得ます。

シリコーンとは何か？3Dプリント造形は可能か？

はい、シリコーンの3Dプリントは可能です。ただし、通常は高粘度材料用に設計された機械が必要です。従来の方法では、シリコーンの低粘度性と非熱可塑性という性質のため困難を伴います。ストラタシスのP3™ DLPのような先進システムは、高度な硬化プロセスを用いてこれらの課題を克服します。シャインエツが開発したP3™ シリコーン25Aは、シリコーンの柔軟性、耐久性、熱安定性を維持し、産業用途向けの精密で耐薬品性のある部品の製造を可能にします。

シリコーン材料の特性

シリコーンはエラストマーの一種で、以下の特性を兼ね備えたユニークな材料です：

柔軟性

耐熱性

耐薬品性

多くの熱可塑性樹脂やゴムと異なり、シリコーンは極端な温度や過酷な化学薬品に長時間さらされても、変形することなく伸縮・圧縮が可能です。

これらの特性により、自動車や産業用途におけるシール、ガスケット、ハウジング、ダンパー、保護部品の定番材料となっています。多くのエンジニアにとって、部品が長期間にわたり熱、圧縮、化学薬品に耐えなければならない場合、真のシリコーン（「シリコーン風」代替品ではなく）を使用できることは極めて重要です。

しかし、シリコーンの成形は確立されているものの、3Dプリント造形においては歴史的に課題となってきました。

シリコーン3Dプリント造形の課題

シリコーンの低粘度性と非熱可塑性という特性は、多くのアディティブ製造技術と根本的に相容れません。

例えばFDMシステムは、熱可塑性樹脂を溶解・押出し成形し、冷却時に固化するプロセスに依存しています。シリコーンは同様の溶解特性を持たないため、この手法は適用できません。

SLAやその他の槽内光重合技術では、光照射下で急速に硬化可能なUV硬化性樹脂が必要となります。しかしシリコーンは化学的改質なしではこの方法で硬化せず、改質はしばしばその本質的特性を損ないます。

造形可能な化学物質が開発された場合でも、低粘度シリコーンはプロセス制御上の課題が残ります。硬化前に予測不能な流動や拡散を起こしやすく、寸法精度を維持し、明確な層境界を実現し、滑らかな表面仕上げを達成することが困難です。さらにシリコーンは最終形態でも柔らかく柔軟なため、造形物や後処理段階で変形が生じやすい特性があります。特に適切な支持構造や硬化条件が整わない場合、この傾向は顕著です。

DLP-P3™ によるシリコーン3Dプリント造形

ストラタシスのシリコーン3Dプリント造形技術は、先進材料と精密かつ安定した部品生産を可能にするプラットフォーム「Origin® DLP（光造形）P3™」を融合させています。

真の革新は材料配合にあります。シリコーン化学の世界的リーダーである信越化学工業が独占開発したP3™ Silicone 25Aは、模倣品ではなく真のシリコーンです。シリコーン-酸素骨格により、成形シリコーンに期待される化学的・機械的特性を実現：柔軟性、耐久性、耐薬品性、長期熱安定性。

しかし、この種の材料を造形するには、特に微細なディテールの再現や表面品質の確保において、依然として高度なプロセス制御が必要です。ここで疑問が生じます。

なぜシリコーンを3Dプリント造形するのか？

シリコーンは、他の物質では決して同時に見られない複数の特性を併せ持つユニークな材料です。3Dプリントというプロセスも、従来の製造方法に比べていくつかの利点を提供します。まずはシリコーン材料の利点について見ていきましょう。

シリコーン材料の利点

柔軟性と弾性

シリコーンの分子構造は、卓越した柔軟性と弾性回復性を与えます。ひび割れや変形なく曲げ、伸長、圧縮、反発が可能であり、動的な動きが要求される用途に理想的です。繰り返しのサイクル後も形状と性能を維持する能力は、熱可塑性エラストマーとは一線を画します。

Stratasys P3 DLP Silicone 3D printed watch band

カスタマイズとパーソナライゼーション

シリコーン3Dプリント造形の最大の強みは、個々のニーズに合わせたカスタムパーツを製造できる点です。金型やハードツールに依存しないため、追加コストや遅延なく各造形を唯一無二のものにできます。この特性は、快適性・フィット感・患者固有の要件が重要な分野で特に価値を発揮します：

ウェアラブル機器：デザイナーは、ユーザーの手首や手の形状に合わせたストラップ、グリップ、筐体を製造でき、快適性と性能の両方を向上させます。

医療機器：患者固有のシール、ソフトタッチ部品、生体適合性インターフェースをオンデマンドで製造でき、より良い治療結果と臨床要件への迅速な適応を支援します。

消費財：ブランドは、従来の製造コストをかけずに差別化を図りつつ、大規模なパーソナライズされた人間工学、美学、機能性を提供できます。

金型の制約を取り除くことで、シリコーン3Dプリント造形は真のマスカスタマイゼーションを実現します。個々の患者、テスト市場、あるいは個々のフィット感と感触を重視する製品ラインをサポートできます。

材料効率と持続可能性

アディティブ製造は、機械加工や成形などの従来手法に比べ、本質的に廃棄物が少なくなります。シリコーンは必要な箇所にのみ造形され、余剰が最小限に抑えられます。その他の利点：

・廃棄物と過剰生産の削減

・エネルギー使用量の低減（加熱工具や大型プレスを回避する場合に特に顕著）

・在庫削減と地域生産を支える、需要主導のより機敏なワークフロー

リーン生産や持続可能性目標を重視する組織にとって、3Dプリント造形はシリコーン部品をよりクリーンかつ迅速に製造する手段を提供します。

産業横断的なアプリケーション

自動車：耐熱性・難燃性シリコーン部品

自動車部品はエンジンルームやアンダーボディアセンブリなど、過酷な高温環境にさらされることが多くあります。シリコーンの天然の耐熱性は、熱安定性が必須条件となるこうした要求に最適です。

主な用途：

長期間の熱サイクルや過酷な化学薬品への曝露後も、流体や空気の漏れを防ぐガスケットおよびシール

アイソレーターやダンパーなどの騒音・振動・粗さ（NVH）対策部品

難燃性と電気絶縁性が重要なワイヤー・ケーブル保護部品

熱性能に加え、アディティブ製造により必要な部分のみを造形できるため、予備部品や大型高価な金型の保管が不要です。これは特に、アフターマーケット部品や生産量が変動するレスポンシブ製造において価値があります。

3Dプリントシリコーン部品が真の難燃性能を実現したことで、自動車エンジニアは設計要件と規制性能要件の両方を満たす新たな材料選択肢を獲得しました。

航空宇宙・鉄道：難燃性・FST適合部品

航空宇宙、鉄道、その他の輸送産業では、過酷な環境下でも機械的性能を維持しつつ、厳しい難燃性・発煙性・毒性（FST）要件を満たす材料が求められます。シリコーンの固有の耐熱性と化学的安定性に加え、新たに利用可能となった難燃性（FR）配合により、これらの分野に最適です。

代表的な用途：

内装パネル、アクセスドア、サービスコンパートメント用シールおよびガスケット

配線、コネクタ、精密電子機器用保護カバー

温度変動、振動、湿気に長期曝露後も性能を維持する必要がある柔軟で耐久性のあるトリムまたはインターフェース部品

アディティブ製造を活用することで、航空宇宙・鉄道事業者は、FST規制基準を満たしつつ、認証済み部品のオンデマンド生産、滞留部品在庫の削減、特定車両構成への設計適応を実現できます。

産業分野：耐久性部品

製造、エネルギー、石油・ガスなどの重機分野では、エラストマー部品が化学的・物理的に過酷な環境に置かれることが多々あります。シリコーンは以下の用途に最適です：

- 筐体や接続ボックス内のシール・ガスケット

- センサー、電子機器、空気圧システム用保護ハウジング・筐体

- 機械的ストレスや振動に晒されるカバー・ダンパー

シリコーンは紫外線、オゾン、溶剤、温度変化に対する耐性により、多くの代替材料よりも長い耐用年数を実現します。さらに3D造形技術により、以下のことが可能になりました：

非標準機器に合わせた形状特化部品の迅速な製造

工具待ち時間なしで摩耗・性能低下部品の交換

在庫負担軽減によるオンデマンド予備品・小ロット生産の実現

従来のシリコーン鋳造・成形に比べ、アディティブ製造は機能性・現場対応型エラストマー部品を迅速かつ低コストで提供します。

消費財：迅速なカスタマイズと人間工学的設計

パーソナルケアからウェアラブル技術に至る消費財分野では、メーカーはシリコーンのソフトな肌触り、皮膚安全性、視覚的柔軟性を高く評価しています。3D造形により、以下を実現する強力なツールとなります：

ストラップ、グリップ、ソフトケースなどの人間工学的ウェアラブル製品

石鹸、化粧品、樹脂の少量鋳造用カスタム金型

小ロット生産向け量産グレード部品とカスタム金型

アディティブ製造用シリコーンは、金型投資なしで形状・サイズ・美的特性の迅速な適応を可能にします。生体適合性を考慮した配合であれば、肌接触や快適性を追求した設計の実現も可能です。

製造技術者や生産チームにとって、3Dプリント用シリコーンは創造性・快適性・性能を兼ね備えた稀有な材料です。

Silicone water filter 3D printed using Stratasys P3 silicone 3D printing material

シリコーン3Dプリント造形の課題克服

シリコーンは造形が容易な材料ではありません。P3 Silicone 25Aが画期的な価値を持つ理由の一つはここにあります。その柔らかさ、流動特性、硬化条件は独特の課題を提起し、従来は真のシリコーン、さらには多くのエラストマーさえもアディティブ製造と相容れないものにしてきました。

シリコーンが扱いにくい理由と、ストラタシスが各課題にどう対応しているかを以下に示します：

造形プロセス

軟質シリコーンは粘度が低い傾向があり、積層後に予測不能な流動や広がりを生じます。これにより、特に薄肉部や細部構造において材料配置の制御が困難になります。適切に処理されない場合、寸法精度が低下し、形状の定義が失われます。

ストラタシスの解決策：

DLP-P3造形プロセスは、精密な光制御と機械的駆動により流動と硬化タイミングを管理し、積層ごとに安定した造形を実現します。

シリコーン配合自体は、1926年創業のシリコーン化学分野における世界的リーダーである信越化学工業との共同開発により実現しました。ほぼ1世紀にわたる経験を持つ信越化学は、流動性と安定性のバランスを追求し、P3シリコーン25Aを開発。これにより、早期のたるみや広がりを伴わないクリーンな造形が可能となります。

造形精度と表面品質

軟質材料は造形中に変形する可能性があり、公差と仕上げの両方に影響を及ぼします。表面品質の低下は単なる外観上の問題ではありません。シール性、摩擦特性、部品全体の性能に影響を及ぼす可能性があります。

ストラタシスの解決策：

P3テクノロジーは、成形部品の品質に極めて近い滑らかな表面仕上げを実現する高解像度造形を可能にします。

閉ループプロセス制御により部品間のばらつきを低減し、再現性を確保します。これは一貫性が重要な研究開発や少量生産において特に重要です。

コストと後処理

シリコーンは最終的な機械的特性を得るために慎重な硬化が必要です。不均一または不完全な硬化は軟らかい部分や耐久性の低下を招きます。同時に、シリコーンは「過硬化」する可能性があります。硬化時間が長すぎるとショア値が上昇し、ゴムが望ましい軟らかさを超えて硬化します。

ストラタシスの解決策：

Originプリンタは造形パラメータを測定・制御し、最適な条件を確保します

後処理には、この特定のシリコーン化学特性に最適化された湿度制御（85℃・85%RH）のオーブン加熱が含まれます。

材料とプロセスへの取り組みにより、ストラタシスは従来成形部品以外に選択肢がなかったエンジニアにも、信頼性の高いシリコーン3D造形を実現します。プロトタイピングであれ機能性エラストマー部品の生産であれ、材料の完全性と造形精度の組み合わせが測定可能な差を生み出します。

ストラタシスのシリコーン3Dプリント造形技術

DLP-P3テクノロジー

ストラタシスのシリコーン3Dプリント造形ソリューションの中核をなすのは、光造形 DLP-P3です。これは厳密に制御された光重合プロセスであり、高いディテール、優れた表面品質、再現性の高い部品精度を実現します。オープンDLPプラットフォームとは異なり、P3技術は閉ループの光制御と機械制御を組み込んでおり、エラストマーのようなより困難な材料を扱う場合でも一貫した部品品質を可能にします。

このプロセスは、射出成形部品に極めて近い精度と表面仕上げを実現します。その信頼性と精密性により、従来の成形ではコストがかかりすぎたり時間がかかりすぎたりする生産補助ツールや中小ロット生産に最適です。

材料の違い：代替品ではない真のシリコーン

しかし、高品質なシリコーンを保証するには、造形プロセスだけでは不十分です。ストラタシスを真に差別化しているのは材料です。

信越化学工業との共同開発によるP3 Silicone 25Aは、「シリコーン風」エラストマーではなく真のシリコーンです。シリーコン-酸素骨格により、従来型シリコーンゴムに期待される熱的・機械的・化学的特性を実現します。具体的には：

高い引裂抵抗性と反発性

優れた熱安定性（1,000時間加速試験で実証）

耐薬品性と低硬化収縮率（1%未満）

3Dプリント造形用シリコーン材料を選択する際は、材料（および部品）が長期にわたりシリコーン特性を維持することを確認してください。特に経年試験に重点を置いた性能データを確認してください。熱可塑性エラストマーや熱硬化性エラストマーとは異なり、シリコーンは高温に長時間曝露した後でも長期にわたり特性を維持するよう設計されています。ストラタシスの製品は、特に自動車、産業、消費財分野の厳しい用途において、期待される長期性能を提供します。

P3 シリコン 25A は、破断伸びが 672% です。

結論

P3™シリコーン25Aは、エンジニアが真のシリコーンに期待するあらゆる特性、すなわち機械的性能、広い温度範囲、規制への適合性、そして射出成形レベルの品質を実現します。これにより、従来型製造におけるリードタイム、金型コスト、設計上の制約なしに、成形品と同等の柔軟性、耐熱性・耐薬品性、耐久性、そして適合性を備えた部品を製造できます。つまり、少量生産またはカスタムバッチでシリコーン部品やコンポーネントを製造でき、それぞれの部品が射出成形品と同等の性能と挙動を示すことを確信できます。シールやガスケットから人間工学に基づいたウェアラブル機器まで、精密なフィット感、一貫した品質、そして信頼性の高い長期性能を実現できます。しかも、積層造形のスピード、俊敏性、そして設計の自由度を最大限に活用できます。さらに、この材料は、FST/FRから生体適合性まで、様々な業界で求められる規制への適合性も実現します。材料と印刷プロセス制御の進歩により、この技術は実生産に十分な成熟度を備えています。少量生産、少量部品のカスタマイズ、成形では対応できない特殊な形状の解決など、シリコン 3D プリントは、より機敏でコスト効率の高い方法を提供します。

シリコーンを3Dプリントする：本物のシリコーンを使った造形は可能か？

本物のシリコンでプリントする準備はできていますか?

シリコーンとは何か？3Dプリント造形は可能か？

なぜシリコーンを3Dプリント造形するのか？

産業横断的なアプリケーション

シリコーン3Dプリント造形の課題克服

ストラタシスのシリコーン3Dプリント造形技術

結論