解析：硅膠 3D 打印技術及相關替代方案的發(fā)展現狀

有機硅，也稱硅膠，是一種合成橡膠，具有多種吸引人的制造特性。它的化學結構具有驚人的多功能性，可以調整其化學配方以適應各種工業(yè)應用，從密封件到接頭、可穿戴設備、醫(yī)療設備、機器人抓手、炊具、熱絕緣和電絕緣等等。

當今大多數有機硅產品都是通過注塑、壓塑或澆鑄生產的。隨著 3D 打印技術的進步，很多人都會問：“3D 打印可以打印硅膠部件嗎？”答案是肯定的，但硅膠在3D打印中是一種相對較新的材料，仍有許多問題需要解決。首先，硅膠的粘度非常高，很難用它進行精確的3D打印。它不能像光聚合物材料一樣用紫外線加熱和擠壓或固化。這意味著 3D 打印硅膠需要高度專業(yè)化的 3D 打印機，而目前市場上只有少數難以獲得的選項。其次，有機硅是一種彈性體，與熱塑性塑料不同，它在固化后無法恢復為液態(tài)。然而，有許多 3D 打印工藝可以提供具有類硅膠特性的 3D 打印材料，并且 3D 打印還可以用于創(chuàng)建用于成型硅膠零件的模具，將 3D 打印的許多好處帶到傳統(tǒng)的硅膠制造方法中。

在本期文章中，南極熊解析了近年來在市面上出現的6家硅膠3D 打印廠商案例、3類替代方案以及增材制造如何支持傳統(tǒng)硅膠制造工藝。

硅膠 3D 打印工藝和替代解決方案

目前，市面上硅膠 3D 打印機及其替代解決方案可分為三類：

（1) 直接硅膠 3D 打印：市場上有硅膠 3D 打印機，但它們仍遠未在商業(yè)上可行或可供普通企業(yè)使用。

（2) 使用具有類有機硅特性的材料進行3D 打印：常見的聚合物 3D 打印工藝提供了具有類有機硅材料特性的各種材料，可以作為某些應用的替代品。

（3) 使用 3D 打印模具鑄造或成型硅膠：使用 3D 打印的快速模具可以彌合使用傳統(tǒng)制造方法進行原型制作和大規(guī)模生產硅膠零件之間的差距。

直接硅膠3D打印

雖然大多數 3D 打印技術已經存在多年甚至幾十年，但由于硅膠打印的復雜性，硅膠 3D 打印機仍然是一個相對較新的實驗領域。在過去的幾年里，一些公司將硅膠 3D 打印機推向市場，但這些解決方案都有一定的局限性，而且成本過高，這意味著它們并不適合大多數業(yè)務和應用。

1、德國瓦克ACEO有機硅按需沉積工藝

直接有機硅 3D 打印的首批解決方案之一是由德國有機硅巨頭瓦克化學公司的有機硅3D打印服務—ACEO開發(fā)的按需沉積工藝。ACEO平臺是專門為打印有機硅彈性體而開發(fā)的，使其成為增材制造領域的一項獨特技術。瓦克化學是一家擁有70 多年歷史的有機硅材料供應商，也是全球很早進入有機硅開發(fā)的公司之一。瓦克ACEO®3D打印技術是用于液體硅橡膠組件增材制造的工業(yè)級技術。憑借其獨特的“按需噴墨”技術，ACEO® 可確保充分的設計自由度，用于打印高功能性部件，同時保持硅橡膠的耐高溫性、抗輻射性及生物相容性等優(yōu)異性能。采用ACEO® 技術打印而成的硅橡膠組件廣泛應用于汽車、航空航天、醫(yī)療、設備行業(yè)以及機械工程等眾多關鍵行業(yè)。第一個ACEO開放打印實驗室于2017年在德國博格豪森建立。然而，該解決方案未能在市場上找準自己的定位，并于 2021 年停產。

ACEO所開發(fā)的硅膠按需沉積工藝包括基于“按需噴墨”打印原理：打印頭將有機硅微液滴（體素）逐滴沉積在工作平臺上，然后液滴相互融合，形成均質有機硅層。每打印一層有機硅，系統(tǒng)將立刻使用紫外光將整個有機硅層固化。通過使用支撐材料來生產飛檐或孔洞等復雜結構，便能逐層打印出三維物體。打印完成后，將物體從工作平臺上移除，并用水將支撐材料沖洗掉即可。隨后將物體二次硫化，以便去除揮發(fā)物，并實現最終的機械性能。

△外側為有機硅（藍色）、內側為環(huán)氧樹脂（L型結構）的密封圈。

不過，瓦克化學公司的有機硅3D打印服務—ACEO，已經在2021年底關閉。

2、InnovatiQ液體增材制造(LAM)技術

液體增材制造 (LAM) 是InnovatiQ（以前稱為德國 RepRap）開發(fā)的另一種有機硅 3D 打印形式，它涉及使用類似于 熔融沉積成型 (FDM) 3D 打印的擠出工藝將液化硅分配到構建平臺上，以及然后用紫外光和熱的組合固化材料，形成成品。該技術的核心是在熱源（鹵素燈）的作用下，將該公司的液態(tài)硅橡膠（LSR）材料硫化，使其熱交聯成固態(tài)。

據InnovatiQ稱，這使該材料能夠保持其高性能的機械性能，提供的3D打印部件的特性可與注射成型的硅膠部件媲美。此外，通過LAM打印的部件不需要進行后期處理，這意味著它們從構建室出來就可以直接用于功能應用。然而，使用這種解決方案，設計選項和零件質量受到限制，打印機成本為12萬美元。

△LIQ7可以實現像護腕這樣的定制醫(yī)療設備的全彩3D打印。照片來自InnovatiQ。

△LAM技術制造的成品展示

3、Spectroplast光聚合有機硅增材制造 (SAM) 技術

有機硅 3D 打印機的最新示例是Spectroplast 開發(fā)的有機硅增材制造 (SAM) 技術。Spectroplast成立于2017年，開發(fā)了一系列與聚合工藝兼容的有機硅，并使用這些材料對外提供3D打印服務，滿足客戶小批量定制軟材料產品的需求。該公司的SAM 工藝類似于立體光刻(SLA)和數字光處理 (DLP) 3D 打印機中已知的大桶光聚合技術。通常，有機硅材料不能光固化，但該公司使用專有工藝使其具有光敏性。這種新興技術有望提供與其他樹脂 3D 打印技術相同的高度設計自由度，起價約為 100,000 美元。

△3D打印硅膠晶格，照片來自Spectroplast

Spectroplast的有機硅材料專為實現某些性能而設計，其肖氏硬度為Shore A0至Shore A80，目前已經覆蓋所有顏色包括透明。雖然該公司在材料和工藝方面都擁有版權，但它使用商用3D打印機來提供生產服務。

△Spectroplast開發(fā)的有機硅增材制造技術與樹脂 3D 打印機的工作原理類似，可將有機硅材料轉變?yōu)榭晒夤袒�的材料�?/div>

4、法國Lynxter公司的工業(yè)/醫(yī)療級S300X硅膠 3D 打印機

法國公司Lynxter是少數開展有機硅3D打印業(yè)務的公司之一，該公司從推出第一臺S600D有機硅3D打印機開始，積累了有機硅3D打印的知識和經驗。Lynxter 的持續(xù)開發(fā)為彈性體 3D 打印帶來了新的解決方案——S300X 硅膠 3D 打印機，并為這款機型引入了集成打印支撐技術和新型 SIL001 硅膠材料。通過這一創(chuàng)新，Lynxter希望實現硅膠打印的大眾化。

△Lynxter推出的新款S300X硅膠3D打印機

S300X是一款快速成型的3D打印機，采用了集成的打印支持技術和新的SIL001硅膠材料，這款打印機具有3D打印的快速反應能力，現在可以使用工業(yè)和醫(yī)療級的硅膠和聚氨酯。它通過實現更多的幾何自由度集成打印支持技術來做到這一點。作為一個具有開放理念的緊湊、可靠和堅固的工業(yè)工具，S300X可用于生產用于后處理（噴漆、打磨、等離子體處理等）的定制遮蔽件、阻尼器、密封件、經認證用于皮膚接觸的矯形器和具有附加功能的紡織品。新的S300X機器的推出也與Lynxter自己的材料系列的發(fā)布相吻合，包括工業(yè)質量的SIL001硅膠。S300X硅膠3D打印機可以打印各種材料，包括通過ISO 10993-05認證的醫(yī)療級RTV2硅膠（5、10、25、40 ShA），可與皮膚接觸，工業(yè)級RTV2硅膠（45shA）和聚氨酯（從50到85ShA）。這些抗老化的有機硅不需要進行繁重的后處理，并擁有與注塑成型相當的機械性能。

5、臺灣San Draw流體增材制造（FAM）工藝

San Draw，一家位于中國臺灣的原始設備制造商（OEM），專門生產硅膠增材制造平臺。San Draw公司成立于2014年，據該公司稱，它是第一家將其平臺用于商業(yè)應用的有機硅3D打印OEM。這并不令人驚訝，考慮到這個相對較小的細分市場，再加上San Draw在2017年為其流體增材制造（FAM）工藝申請了最初的美國專利這一事實。

San Draw公司在2020年發(fā)布了工業(yè)硅膠3D打印機——S200，這是全球首款能夠使用室溫硫化（RTV）硅膠和液體硅橡膠（LSR）的打印機S200的公司。這款 3D 打印機的構建體積為 235 x 270 x 150 毫米。

S200主要特點：

• 自動校準
• 輕巧的打印頭和堅固的底盤
• XY精度：0.36度
• 與 LSR 硅膠（SIL50、SIL70）和其他凝膠狀材料兼容
• 生物相容性：SIL50 & SIL70 通過 ISO10993-5 和 ISO10993-10 認證
  

由于RTV硅酮可用于制造模具和注射成型，而LSR是注射成型的最佳選擇，因此從理論上講，用RTV打印模具，然后再填充LSR是有意義的。此外，該公司最新發(fā)布的S300款機型與 San Draw 專有的兩部分有機硅兼容，這些有機硅具有生物相容性（ISO 10993認證）、柔韌和耐高溫（高達 250℃）

△SanDraw系列打印機，圖片來源：San Draw公司（https://www.sandraw.com/3dprinter）

6、Elkem公司的液體硅膠3D打印技術及支撐材料

�？嫌袡C硅（Elkem Silicones）公司是一家市值約33億美元的挪威制造商，致力于硅膠3D打印技術及材料的開發(fā)。該公司的技術核心在于液態(tài)硅膠3D打印，也稱為液體沉積成型（LDM），依賴于一個混合噴嘴，它將兩種成分混合，形成硅膠，然后固化，是一種基于化學交聯完成固化的制造技術。當安裝在基于擠壓的3D打印機上時，它可以真正實現硅膠3D打印的大眾化。與迄今為止在柔性3D打印領域占主導地位的聚氨酯項目不同，LDM部件是由實際的有機硅制成的，因此，可以用于對該材料來說最理想的各種應用。

到目前為止，LDM的問題之一是可能的幾何自由度有限。你可以制造任何東西，例如各種形狀的生奶油。然而，Elkem公司將改變這一切。該公司發(fā)布的AMSil 92100墨水支撐材料可在與硅膠相同的系統(tǒng)上擠出，并為Elkem的AMSil和AMSilbione進行了優(yōu)化。由于該支撐材料是水溶性的，因此在打印后可以被洗掉。

使用具有類有機硅特性的材料進行 3D 打印

制造商選擇有機硅的一些主要原因是這些材料的彈性和柔韌性，可用于廣泛的應用。

有機硅的肖氏硬度計通常介于 10A 和80A 之間。常見的聚合物 3D 打印工藝（如 FDM、SLA 和 SLS）可提供此硬度范圍內的各種材料，并在硅膠的其他重要材料特性（如耐用性、熱穩(wěn)定性、抗紫外線性、食品安全性、生物相容性以及顏色和半透明選項。

硅膠的 FDM 材料替代品

對于熔融沉積建模，熱塑性聚氨酯 (TPU) 和熱塑性彈性體 (TPE) 等彈性體是最靈活的材料，可以替代硅膠。這些材料市售的肖氏硬度為 45A 至肖氏 90A，涵蓋了硅膠硬度范圍的一部分，但最軟的材料除外。

與這些替代方案相關的優(yōu)點是 FDM 3D 打印機和材料的普遍可負擔性。相反，缺點包括較低的精度和尺寸精度、較低的分辨率、質量和零件強度，以及有限的設計自由度，這些都限制了現實世界的可用性。類有機硅 FDM 材料通常不如標準有機硅耐用，不安全，耐溫性較低，顏色有限，沒有真正的半透明選擇，但它們可以是生物相容的和皮膚安全的。

硅膠的 SLA 材料替代品

立體光刻 3D 打印因其高精度和廣泛的材料選擇而受到專業(yè)人士的歡迎。SLA 3D 打印提供了多種硅膠替代品，使制造商能夠制作類似硅膠的零件原型，甚至制造具有硅膠柔韌性、彈性和耐用性的最終用途零件。與 FDM 相比，SLA 零件提供最光滑的表面光潔度和更高的設計自由度。

硅膠類 SLA 材料通常也比標準硅膠更不耐用，不安全，不生物相容（但可以是皮膚安全的），并且具有較低的耐溫性。硅膠類SLA材料可以是半透明的，也可以染成不同的顏色。

△SLA3D 打印為硅膠 3D 打印提供多種替代方案，可用于制作硅膠類零件的原型，甚至制造最終用途零件。

具體材料的可用性取決于打印機型號，但通常在 30A 和 90A 肖氏硬度計硬度范圍內。Formlabs 的 SLA 3D 打印材料中硅膠的替代材料包括：

• Elastic 50A Resin是一種柔軟的材料，適用于制作通常使用硅膠生產的零件原型。這種 50A 邵氏材料非常適合用于彎曲、拉伸、壓縮和承受重復循環(huán)而不會撕裂并快速彈回其原始形狀的零件。選擇 Elastic 50A 樹脂用于可穿戴設備（肩帶）、可拉伸外殼和外殼、可壓縮按鈕或醫(yī)療保健中的軟組織解剖等應用。
• 柔性 80A 樹脂是一種堅硬的柔軟觸感材料，具有 80A 肖氏硬度計，可模擬硬硅樹脂以及橡膠或 TPU 的柔韌性。柔韌的 80A 樹脂平衡了柔軟性和強度，即使經過反復循環(huán)，也能承受彎曲、彎曲和壓縮。它非常適合原型應用，如手柄、把手、包覆成型、緩沖、阻尼、減震、密封、墊圈和面罩，或醫(yī)療保健中的軟骨、肌腱和韌帶解剖。
• Rebound Resin雖然略高于有機硅材料的硬度范圍，但它是一種 86A 肖氏彈性 3D 打印材料，可為最終用途應用提供獨特的性能。Rebound Resin 的撕裂強度是市場上其他生產級彈性材料的 5 倍，拉伸強度是其 3 倍，伸長率是其 2 倍，是 3D 打印有彈性的彈性部件的理想選擇。Rebound Resin 的高伸長率使其非常適合用于手感和彈性部件，例如手柄和把手。它的強度足以承受持續(xù)的壓縮或張力，非常適合制造經久耐用的復雜墊圈和密封件。
  

△采用Rebound Resin打印的 New Balance 鞋已經上市并在世界各地穿著。Rebound 樹脂 經受住各種元素的考驗，在各種天氣條件下經久不衰，性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料并經久耐用。

硅膠的 SLS 材料替代品

選擇性激光燒結 (SLS) 3D 打印是工業(yè)應用中最常見的增材制造技術。它提供高精度、高吞吐量和幾乎無限的設計自由度，因為未熔融的粉末在打印過程中支撐部件，并且無需專用支撐結構。

具有類硅膠性能的 SLS 材料包括TPU、TPE 和 TPA，硬度范圍在 肖氏45A 和 90A 之間。確切的可用性取決于打印機型號。

使用類硅膠SLS材料生產的零件精確、耐用、耐磨、耐磨，并且具有三種塑料3D打印工藝中最高的耐溫性。它們可以是生物相容的、皮膚安全的，并且在后處理后也是食品安全的。不利的一面是，SLS 打印提供的顏色有限且沒有半透明選項，而且薄壁設計在冷卻時可能會翹曲。

使用 3D 打印模具鑄造或成型硅膠

對于那些希望生產真正的硅膠零件的人來說，3D 打印還可以幫助彌合使用傳統(tǒng)制造方法制作原型和大規(guī)模生產硅膠零件之間的差距。

注塑成型、熱成型、壓縮成型和硅膠鑄造都使用模具來制造硅膠成品。然而，工具帶來了高昂的前期成本和服務提供商長達數周或數月的交貨時間，從而減慢了產品開發(fā)并延長了將產品推向市場所需的時間。

將內部快速工具整合到產品開發(fā)過程中，使企業(yè)能夠在過渡到大規(guī)模生產之前驗證設計和材料選擇，并提供一種經濟實惠的方式來生產定制或有限系列的最終用途零件。

Google 的 ATAP 團隊使用 3D 打印的替代品或替代零件，而不是包覆成型的電子子組件，在工廠進行初始工具調整。

Google 先進技術和項目(ATAP)實驗室的設計師通過結合使用3D 打印和嵌件成型，能夠將成本削減超過 100,000 美元，并將測試周期從三周縮短到三天。Google ATAP 的團隊發(fā)現，通過 3D 打印測試部件，與使用必須從供應商處運來的昂貴電子部件相比，他們可以節(jié)省時間和金錢。

Dame Products是一家位于布魯克林的初創(chuàng)公司，為健康和保健行業(yè)設計產品。他們采用硅膠嵌件成型來封裝客戶測試原型的內部硬件。Dame Products 產品線包含復雜的人體工程學幾何形狀，完全封裝在一層色彩鮮艷的皮膚安全硅膠中。

△DameProducts 采用硅膠嵌件成型來封裝客戶測試原型的內部硬件。

硅膠嵌件成型也是制造少量最終用途零件的理想選擇。先進的假肢制造商Psyonic使用該工藝為假手制造手指，這些假手具有用硅膠包覆成型的硬 3D 打印核心，而機器人制造商RightHand Robotics使用相同的工藝為機器人制造抓手。

△Psyonic使用硅膠嵌件成型來制造假手的手指。

用于壓縮成型的 3D 打印快速工具可用于生產熱塑性塑料、硅膠、橡膠和復合材料零件。廚房電器制造商 OXO 的產品開發(fā)人員使用 3D 打印通過使用 3D 打印模具壓縮成型兩部分硅膠來制作橡膠部件（如墊圈）的原型。

△3D 打印是一種快速且廉價的方法來創(chuàng)建用于壓縮成型的模具。

鑄造也是一種生產用于醫(yī)療設備、聽力學、食品安全應用等的硅膠和塑料部件的流行方法。醫(yī)療器械公司Cosm為患有盆底疾病的患者生產特定于患者的子宮托。他們在 SLA 3D 打印機上 3D 打印模具，然后將生物相容的醫(yī)療級硅膠注入其中以制造零件。使用 3D 打印的快速工具使他們能夠創(chuàng)建定制零件，而無需傳統(tǒng)工具的高成本。

△由硅膠鑄造生產的患者專用子宮托。

使用 3D 打印制造定制耳模也徹底改變了聽力學領域，適用于助聽器、噪音保護和定制耳機等應用。與傳統(tǒng)模具生產相比，數字制造提供了更好的控制和準確性，顯著減少了錯誤和重制的數量。

△使用硅膠耳模制作定制耳塞的分步過程。

硅膠鑄件也用于娛樂行業(yè)。屢獲殊榮的實用假肢化妝效果和道具制作公司 DreamsmithStudio 的創(chuàng)始人 Jaco Snyman在科幻系列《狼來了》中使用了多種這些技術。利用Form 3L SLA 3D 打印機的巨大構建體積，Snyman 創(chuàng)建了女演員身體的超逼真硅膠復制品、演員硅膠面具、人體大小的假人等等。

△制作女演員臉部的超逼真硅膠復制品，在 Form 3L 上使用數字設計和 3D 打印的模具。

反之，硅膠材料也可用于制作各種材料成型的模具。

各類硅膠3D 打印工藝和替代方案的比較

	直接硅膠3D打印	FDM 3D 打印	SLA 3D打印	SLS 3D打印	使用 3D 打印模具鑄造或成型硅膠
準確性	★★★☆☆	★★★☆☆	★★★★★	★★★★★	★★★★★
表面處理	★★★☆☆	★★★☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
設計自由度	★★★☆☆	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★	★★★☆☆
使用方便	★★★☆☆	★★★☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
材料	有機硅	熱塑性聚氨酯、熱塑性彈性體	專有樹脂	TPU、TPE、TPA	有機硅
硬度(肖氏)	20A 至 60A	45A 至 90A	30A 至 90A	45A 至 90A	10A 至 80A
價格	起價約為 100,000 美元 -  120,000 美元，具體取決于解決方案。	預算打印機和 3D 打印機套件起價為幾百美元。更高質量的中檔桌面打印機起價約為 2,000 美元，工業(yè)系統(tǒng)起價為 15,000 美元。	專業(yè)桌面打印機起價 3,750 美元，大幅面臺式打印機起價 11,000 美元。	臺式工業(yè)系統(tǒng)起價 18,500 美元，傳統(tǒng)工業(yè)打印機起價 100,000 美元。	與打印機的 SLA 3D 打印相同。其他成本取決于制造過程。

選擇正確的硅膠 3D 打印工藝或替代方案

雖然直接硅膠 3D 打印機還不容易獲得，但有很多方法可以利用 3D 打印的優(yōu)勢來生產硅膠或類似硅膠的零件。

△SLA3D 打印非常適合制作具有類硅膠特性的零件原型，以及創(chuàng)建用于成型真正硅膠零件的模具。

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