硅膠 3D 打印完整指南

硅膠 3D 打印技術(shù)是增材制造領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，這項(xiàng)新技術(shù)引起了 3D 打印行業(yè)的極大興趣，因?yàn)楣枘z材料不可能像聚合物或金屬那樣通過能夠加熱熔化并逐層沉積。硅膠 3D 打印取得的新發(fā)展，特別是在醫(yī)療和醫(yī)用生物材料領(lǐng)域，正在幫助改善患者現(xiàn)有治療的結(jié)果。此外，隨著3D打印技術(shù)的穩(wěn)步進(jìn)步和成熟，以前不可想象的新可能性和機(jī)遇正在出現(xiàn)。

硅膠3D打印預(yù)計(jì)將對(duì)行業(yè)產(chǎn)生重大影響，代表著3D技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。根據(jù) Precision Business Insight 的一項(xiàng)研究，硅膠 3D 打印市場(chǎng)預(yù)計(jì)到 2021 年將達(dá)到 15.903 億美元，預(yù)計(jì)到 2028 年將以 19.9% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。這種增長(zhǎng)也將受到 3D 打印公司提供的推動(dòng)新的有機(jī)硅兼容解決方案。在本文中，南極熊對(duì)有機(jī)硅以及該材料如何在增材制造中使用進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

△照片來源：Beamler

硅膠：它是什么以及它是如何制造的？

聚硅氧烷，俗稱有機(jī)硅，是由硅氧烷（由硅和氧原子組成的分子）聚合而成的無機(jī)聚合物。在聚硅氧烷的情況下，聚合通過硅氧烷的縮合反應(yīng)發(fā)生。該轉(zhuǎn)化過程是在催化劑存在的情況下發(fā)生，催化劑可以是酸或堿，其功能是促進(jìn)硅氧烷官能團(tuán)之間形成鍵。因此，由于氧和硅原子之間形成的鍵，聚合物鏈表現(xiàn)出明顯的流動(dòng)性。這類聚合物的特點(diǎn)主要在于其耐化學(xué)性及其物理和機(jī)械性能。聚硅氧烷和有機(jī)硅是指相同材料的術(shù)語。雖然前者是技術(shù)術(shù)語，但后者更常用于商業(yè)和日常環(huán)境中。

有機(jī)硅以各種狀態(tài)存在，具體取決于其組分鏈的大分子結(jié)構(gòu)、尺寸和分布。它以硅油和橡膠（用作添加劑、潤(rùn)滑劑或液壓液）、硅凝膠（用于乳房假體或自行車鞍座）以及最后作為彈性體的形式存在。后者是當(dāng)今最常用的硅膠類型。

第一家開發(fā)用于打印硅膠的 3D 打印系統(tǒng)的公司是德國(guó)化學(xué)巨頭瓦克化學(xué)股份公司 (Wacker Chemie AG) 的子公司 ACEO。2016年，該公司推出了類似噴墨打印的工藝。在這種情況下，硅樹脂液滴被涂成一層，然后用紫外線光源固化；逐層重復(fù)該過程，直到創(chuàng)建最終部件。此外，該公司聲稱其技術(shù)生產(chǎn)的零件具有與注塑成型相當(dāng)?shù)母飨蛲�性（即在所有方向上均勻）機(jī)械性能。ACEO于2021年停止運(yùn)營(yíng)，但這位早期領(lǐng)航者所開發(fā)的硅膠3D打印方法仍然在各個(gè)領(lǐng)域得到需求和應(yīng)用，包括工業(yè)品、化學(xué)品、醫(yī)學(xué)和牙科。

△通過壓力注射器 3D 打印硅膠（照片來源：AMFG）

如前所述，與有機(jī)硅兼容的另一項(xiàng) 3D 打印技術(shù)是光聚合技術(shù)。然而，還有其他增材制造技術(shù)可以使用這種類型的材料。在基于擠出原理的3D打印應(yīng)用場(chǎng)景中，有機(jī)硅需要特定的硬件性能。首先，材料必須包裝在帶有柱塞的可連接注射器中。壓力頭通常配備容積式計(jì)量泵，以確保高分配和計(jì)量精度。這些泵通過壓力注射器提供原材料，并輸送和計(jì)量要打印的材料量。該材料通過連接到泵出口的精密噴嘴施加。

這樣，所描述的增材制造工藝類似于擠出技術(shù)（FFF/FDM）。然而，所涂敷的材料從噴嘴出來時(shí)并不是固定的，而是將打印的流體配制為具有一定的粘度，以便它可以自我覆蓋。交聯(lián)反應(yīng)（其中聚合物結(jié)合在一起形成鏈并形成一種網(wǎng)絡(luò)）在打印過程期間和之后發(fā)生，并使已形成的材料硬化。交聯(lián)后，部件獲得最終的物理和化學(xué)性能。

硅膠3D打印的優(yōu)點(diǎn)和局限性

接下來我們討論一下硅膠3D打印制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性。該技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)之一是硅膠可以創(chuàng)建具有高靈活性和耐用性的 3D 模型。反過來，這意味著它比其他材料能夠承受更高的負(fù)載和壓力，同時(shí)由于其靈活性而節(jié)省空間，所有這些都不會(huì)影響其機(jī)械性能。硅膠還可以抵抗極端溫度和輻射波動(dòng)，使零件比玻璃或類似材料更不易受到此類影響。當(dāng)玻璃被認(rèn)為太脆弱時(shí)，專業(yè)人士通常會(huì)選擇硅膠。這也是由于其高透明度，這使得它非常適合需要目視檢查的模型。最后，導(dǎo)電、絕緣和生物相容性的結(jié)合使有機(jī)硅在各種 3D 打印應(yīng)用顯現(xiàn)出巨大潛力，正如我們將在下面看到的。

△醫(yī)學(xué)中的硅藥物；有機(jī)硅具有生物相容性，使其成為醫(yī)療應(yīng)用的理想選擇（照片來源：Nick Pitsas）

硅膠 3D 打印的缺點(diǎn)之一是硬件和材料方面的可及性。盡管越來越多的公司正在開發(fā)硅膠3D打印的技術(shù)解決方案，但提供此類機(jī)器的制造商仍然很少。因此，成本高且材料選擇有限。此外，目前的3D打印機(jī)的打印量相對(duì)較低，雖然可以同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)零件，但還沒有做好大批量生產(chǎn)的準(zhǔn)備。許多設(shè)備使用單個(gè)打印頭，因此它們可以創(chuàng)建簡(jiǎn)單的平面模型，而無需復(fù)雜模型的支撐結(jié)構(gòu)。然而，近年來這種情況發(fā)生了變化，更多的雙頭IDEX 解決方案也可以生產(chǎn)支撐結(jié)構(gòu)。最后，零件的后處理還有該技術(shù)的其他局限性。有機(jī)硅通常需要更長(zhǎng)的固化過程，這增加了總體生產(chǎn)時(shí)間。

應(yīng)用和制造商

硅膠 3D 打印非常適合中小批量生產(chǎn)、原型制作和創(chuàng)建使用傳統(tǒng)方法無法想象的獨(dú)特形狀。從這項(xiàng)技術(shù)中受益最多的行業(yè)之一是醫(yī)療行業(yè)。在該領(lǐng)域，硅膠 3D 打印用于生產(chǎn)為每位患者定制的植入物、假肢和醫(yī)療模型。硅膠摸起來就像人體組織，這使其成為外科手術(shù)的理想選擇。生物醫(yī)學(xué)研究也在利用這種 3D 打印硅膠，將其用作組織工程的支架，以創(chuàng)建用于研究和實(shí)驗(yàn)的細(xì)胞生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。

軟機(jī)器人是這種硅樹脂增材制造形式的另一種應(yīng)用。該材料特別適合生產(chǎn)軟機(jī)器人部件，例如能夠抓取和處理精致物體的夾具。由于其特性，3D 打印硅膠也被探索作為柔性和彈性電子產(chǎn)品的可行材料。另一個(gè)使用 3D 打印硅膠的行業(yè)是消費(fèi)品。它主要用于生產(chǎn)柔性和彈性服裝模型以及智能手表等可穿戴設(shè)備的原型。

△由硅膠制成的 3D 打印物體（照片來源：AMFG）

例如，市場(chǎng)上最知名的企業(yè)之一是埃肯有機(jī)硅公司，該公司致力于開發(fā)用于先進(jìn)制造的有機(jī)硅。此外，3D 打印領(lǐng)域的一些制造商擁有適合使用這些材料的機(jī)器。當(dāng)然，其中包括 ACEO，還包括 Deltatower、innovatiQ、Lynxter、Spectroplast 或 San Draw 等。