硅膠3D打印–終極指南

魔猴君  知識(shí)堂   396天前

獨(dú)特的材料

瑞士公司Spectroplast 3D打印的硅膠部件（來源：Spectroplast）

如今，大多數(shù)硅膠密封件、接頭、可穿戴技術(shù)、機(jī)器人夾持器等產(chǎn)品都是采用注射或壓縮成型工藝制成的。這種工藝需要先制作模型，然后根據(jù)模型制作模具，再將硅膠注入模具中。

3D打印硅膠完全省去了模型和模具步驟，只需打印出最終部件即可。這顯然節(jié)省了大量的成本和時(shí)間：據(jù)3D打印機(jī)制造商3D Systems公司稱，這比注塑成型快達(dá)90%。

游泳產(chǎn)品制造商Finis在8小時(shí)內(nèi)3D打印出泳鏡墊片原型，使他們能夠更快地現(xiàn)場測試新產(chǎn)品（來源：Formlabs）

但是，3D打印硅膠也面臨著挑戰(zhàn)。與聚乳酸（PLA）或熱塑性聚氨酯（TPU）等固態(tài)聚合物長絲不同，這些長絲在加熱時(shí)具有延展性，冷卻后會(huì)再次凝固。硅膠一旦凝固，就無法再次變得柔韌。它與光聚合物樹脂也不同，因?yàn)橛袡C(jī)硅具有很強(qiáng)的抗紫外線能力，不能以純形式固化。有機(jī)硅需要添加劑來使材料對光或熱敏感，而這兩種條件在3D打印中被用作觸發(fā)器來啟動(dòng)材料內(nèi)部的聚合反應(yīng)（換句話說，使其固化）。

這種材料的復(fù)雜性意味著硅膠需要特殊的3D打印機(jī)，如Spectroplast和Lynxter的打印機(jī)。但是，如果您的應(yīng)用不需要100%純硅膠，您可以選擇使用硅基材料和類硅膠材料，這些材料目前的供應(yīng)范圍更廣，可以在許多現(xiàn)有的樹脂3D打印機(jī)上使用。在樹脂3D打印機(jī)（如Carbon或B9 Creations）上使用有機(jī)硅時(shí)，有機(jī)硅材料會(huì)與其他聚合物樹脂混合，因此會(huì)失去一些顯著特征，但仍然非常適合各種應(yīng)用。

盡管很復(fù)雜，但使用硅膠進(jìn)行3D打印有很多理由，特別是對于獨(dú)特或小批量零件。

一、3D打印硅膠的應(yīng)用

瑞士公司MotionTech根據(jù)個(gè)體患者掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建定制的Your Liner

這是3D打印的硅膠假肢襯墊（來源：MotionTech）

從應(yīng)用角度來看，硅膠3D打印并不適合用于生產(chǎn)10萬個(gè)硅膠汽車閥門。中小批量生產(chǎn)、產(chǎn)品原型、只有3D打印才能實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特形狀，或者獨(dú)一無二的患者專用產(chǎn)品，才是硅膠3D打印的最大應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)勢所在。

醫(yī)療植入物：正在探索將3D打印硅膠植入物用于半月板植入物和其他醫(yī)療設(shè)備。

假肢：3D打印硅膠假肢和假肢襯墊為傳統(tǒng)假肢提供了一種舒適、可定制的替代品。

軟機(jī)器人：3D打印硅膠是制造軟機(jī)器人部件（如抓手）的理想材料，這些部件能夠抓取和操縱精密物體。

醫(yī)療模型：硅膠具有人體組織的感覺和反應(yīng)，因此非常適合制作醫(yī)療模型和手術(shù)輔助工具。

可穿戴設(shè)備：3D打印硅膠可用于制造定制的可穿戴設(shè)備，用于研究和制造消費(fèi)類可穿戴設(shè)備的原型，如智能手表和健身追蹤器。

紡織品：3D打印硅膠可用于柔性和可伸縮織物，在時(shí)裝和運(yùn)動(dòng)服裝中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

電子產(chǎn)品：3D打印硅膠正被探索用作柔性和可拉伸電子產(chǎn)品的潛在材料。

生物醫(yī)學(xué)研究：3D打印硅膠可用作組織工程支架，為研究和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造細(xì)胞生長結(jié)構(gòu)。

聲學(xué)：3D打印硅膠可用于制造隔音材料，如隔音屏障、吸音器和減震器。

二、有機(jī)硅及類有機(jī)硅材料

采用SIL 30 3D打印零件，SIL 30是一種來自Carbon的硅膠材料（來源：Carbon）

隨著材料科學(xué)和制造工藝的發(fā)展，硅膠已緩慢但穩(wěn)步地進(jìn)入增材制造領(lǐng)域。雖然業(yè)余愛好者不應(yīng)該指望很快就能在自家車庫里打印硅膠，但用于工業(yè)，尤其是制造業(yè)和醫(yī)療保健業(yè)的硅膠3D打印技術(shù)無疑已經(jīng)得到了發(fā)展。

2022年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）開發(fā)出一種新型硅樹脂，無需改裝即可用于普通商用臺(tái)式DLP打印機(jī)。此后，該組織一直在尋找工業(yè)合作伙伴，以幫助進(jìn)一步開發(fā)硅樹脂技術(shù)并將其商業(yè)化。

在最近的一個(gè)項(xiàng)目中，研究人員用3D打印硅鞋墊嵌入壓阻傳感器，以測量體育活動(dòng)中的步態(tài)力。另一項(xiàng)新研究利用3D打印的硅膠仿生手指與集成的觸覺反饋系統(tǒng)測試柔性電子器件。

CSIRO希望其開發(fā)的DLP兼容有機(jī)硅樹脂能夠盡快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化（來源：CSIRO）

硅膠材質(zhì)特性：

出色的熱穩(wěn)定性

具有不同的硬度

耐水性和密封性

抗紫外線

抗氧化性

抗壓縮和抗剪切

阻燃性

電絕緣性

生物相容性

食品安全

可消毒

顏色和半透明選擇

尤其是學(xué)術(shù)界和3D打印機(jī)公司，已經(jīng)開發(fā)出多種技術(shù)和材料變化。不斷增長的創(chuàng)新需求催生了多種打印機(jī)和服務(wù)。

一系列可3D打印的彈性體材料可以在各種應(yīng)用中替代硅膠（來源：Chromatic 3D Materials）

三、如何以及為何使用硅膠進(jìn)行3D打印

來自?？习葱璺?wù)的3D打印硅膠（來源：?？希?/span>

在過去的五年中，許多公司開發(fā)出了新穎的3D打印硅膠的方法。有些公司使用噴墨打印頭沉積和紫外線的材料噴射方法。其中一種被稱為"按需滴注"的3D打印硅膠方法是，每次將硅膠溶液（硅膠加紫外線活化粘合劑）植入一個(gè)體素。每打印一層后，紫外線光源會(huì)激活粘合劑，然后再打印下一層。盡管這家名為Aceo的公司采用這種方法似乎很有前途，但其母公司瓦克化學(xué)公司在2021年底徹底放棄了這種方法。

液態(tài)添加制造（Liquid Additive Manufacturing）或LAM是德國RepRap公司創(chuàng)造的一個(gè)術(shù)語，用來描述其擠出液態(tài)硅膠，然后用鹵素?zé)艏訜峁袒墓に嚒AM是與陶氏化學(xué)公司（Dow Chemical Company）合作開發(fā)的，這些基于LAM的3D打印機(jī)在被德國RepRap收購后，現(xiàn)在歸屬InnovatiQ品牌。

其他方法使用的是大桶光聚合法。在這種方法中，有機(jī)硅與其他光敏樹脂混合，這樣它們就可以在處理其他材料的3D打印機(jī)中使用，3D打印機(jī)制造商Carbon和Desktop Metal就是這種情況。

所有方法生產(chǎn)出的部件都可與注塑成型相媲美。

Desktop Metal的3D Bioplotter使用生物相容且細(xì)胞友好的材料進(jìn)行打?。▉碓矗篋esktop Metal）

軟件、支撐和后期處理

正如您可能猜到的那樣，您需要特殊的切片軟件，以便考慮到這種獨(dú)特材料的限制和屬性。以下每種打印機(jī)解決方案都提供定制的切片軟件。

與許多3D打印方法一樣，支撐結(jié)構(gòu)對于復(fù)雜的幾何形狀和懸臂也是必要的。有些硅膠方法只使用一種材料，但有些方法則可以在使用硅膠材料的同時(shí)使用可溶解的支撐材料。

后處理包括去除支撐材料，通常還需要額外的固化處理，以進(jìn)一步固化硅膠部件。還可以在印刷過程中為硅膠部件著色。由于硅膠部件在固化后具有良好的表面光潔度，因此一般不需要進(jìn)行大量的后處理。

B9 Creations的硅膠彈性體模具（來源：B9 Creations）

編譯整理：ALL3DP