硅膠 3D 打印完整指南

硅膠 3D 打印技術是增材制造領域的一項重大突破，這項新技術引起了 3D 打印行業(yè)的極大興趣，因為硅膠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)用生物材料領域，正在幫助改善患者現(xiàn)有治療的結果。此外，隨著3D打印技術的穩(wěn)步進步和成熟，以前不可想象的新可能性和機遇正在出現(xiàn)。

硅膠3D打印預計將對行業(yè)產生重大影響，代表著3D技術發(fā)展的重要里程碑。根據(jù) Precision Business Insight 的一項研究，硅膠 3D 打印市場預計到 2021 年將達到 15.903 億美元，預計到 2028 年將以 19.9% 的復合年增長率增長。這種增長也將受到 3D 打印公司提供的推動新的有機硅兼容解決方案。在本文中，南極熊對有機硅以及該材料如何在增材制造中使用進行了詳細介紹。

△照片來源：Beamler

硅膠：它是什么以及它是如何制造的？

聚硅氧烷，俗稱有機硅，是由硅氧烷（由硅和氧原子組成的分子）聚合而成的無機聚合物。在聚硅氧烷的情況下，聚合通過硅氧烷的縮合反應發(fā)生。該轉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，其功能是促進硅氧烷官能團之間形成鍵。因此，由于氧和硅原子之間形成的鍵，聚合物鏈表現(xiàn)出明顯的流動性。這類聚合物的特點主要在于其耐化學性及其物理和機械性能。聚硅氧烷和有機硅是指相同材料的術語。雖然前者是技術術語，但后者更常用于商業(yè)和日常環(huán)境中。

有機硅以各種狀態(tài)存在，具體取決于其組分鏈的大分子結構、尺寸和分布。它以硅油和橡膠（用作添加劑、潤滑劑或液壓液）、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)的公司是德國化學巨頭瓦克化學股份公司 (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；逐層重復該過程，直到創(chuàng)建最終部件。此外，該公司聲稱其技術生產的零件具有與注塑成型相當?shù)母飨蛲�性（即在所有方向上均勻）機械性能。ACEO于2021年停止運營，但這位早期領航者所開發(fā)的硅膠3D打印方法仍然在各個領域得到需求和應用，包括工業(yè)品、化學品、醫(yī)學和牙科。

△通過壓力注射器 3D 打印硅膠（照片來源：AMFG）

如前所述，與有機硅兼容的另一項 3D 打印技術是光聚合技術。然而，還有其他增材制造技術可以使用這種類型的材料。在基于擠出原理的3D打印應用場景中，有機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量泵，以確保高分配和計量精度。這些泵通過壓力注射器提供原材料，并輸送和計量要打印的材料量。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（FFF/FDM）。然而，所涂敷的材料從噴嘴出來時并不是固定的，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（其中聚合物結合在一起形成鏈并形成一種網絡）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性能。

硅膠3D打印的優(yōu)點和局限性

接下來我們討論一下硅膠3D打印制造技術的優(yōu)點和局限性。該技術主要優(yōu)點之一是硅膠可以創(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載和壓力，同時由于其靈活性而節(jié)省空間，所有這些都不會影響其機械性能。硅膠還可以抵抗極端溫度和輻射波動，使零件比玻璃或類似材料更不易受到此類影響。當玻璃被認為太脆弱時，專業(yè)人士通常會選擇硅膠。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，導電、絕緣和生物相容性的結合使有機硅在各種 3D 打印應用顯現(xiàn)出巨大潛力，正如我們將在下面看到的。

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

硅膠 3D 打印的缺點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打印的技術解決方案，但提供此類機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打印機的打印量相對較低，雖然可以同時生產多個零件，但還沒有做好大批量生產的準備。許多設備使用單個打印頭，因此它們可以創(chuàng)建簡單的平面模型，而無需復雜模型的支撐結構。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支撐結構。最后，零件的后處理還有該技術的其他局限性。有機硅通常需要更長的固化過程，這增加了總體生產時間。

應用和制造商

硅膠 3D 打印非常適合中小批量生產、原型制作和創(chuàng)建使用傳統(tǒng)方法無法想象的獨特形狀。從這項技術中受益最多的行業(yè)之一是醫(yī)療行業(yè)。在該領域，硅膠 3D 打印用于生產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的理想選擇。生物醫(yī)學研究也在利用這種 3D 打印硅膠，將其用作組織工程的支架，以創(chuàng)建用于研究和實驗的細胞生長結構。

軟機器人是這種硅樹脂增材制造形式的另一種應用。該材料特別適合生產軟機器人部件，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品的可行材料。另一個使用 3D 打印硅膠的行業(yè)是消費品。它主要用于生產柔性和彈性服裝模型以及智能手表等可穿戴設備的原型。

△由硅膠制成的 3D 打印物體（照片來源：AMFG）

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