有機硅增材制造：基于擠出的增材制造方法和工藝

導讀：時至今日，增材制造不僅能夠用于原型制作，還在預系列制造和系列零件制造方面具有巨大潛力。對于3D打印組件，材料特性至關重要。

在這個領域，3D打印部件只有在具有相同機械和化學特性的情況下才能與傳統(tǒng)制造的部件競爭。生物相容性、耐熱性、高彈性等需求，使有機硅在許多應用中不可或缺。因此，人們期待將增材制造的優(yōu)勢與硅等材料相結合。然而，有機硅的增材制造過程并不簡單。本文列舉了各種基于擠出的方法和過程，詳細地展示了不同交聯機制以及各自的優(yōu)缺點。

△德國RepRap液體硅膠3D打印機L320

硅膠 3D 打�。夯�于擠出的工藝

擠出工藝的一個決定性優(yōu)勢是可加工的液體和糊狀物種類繁多，包括幾乎所有類型的聚硅氧烷：從低粘度到高粘度，從RTV(R oom T emperature V ulcanization) 至標準LSR (L iquid Silicone R ubber) UV固化和顆粒填充的硅氧烷。擠出制造過程非常類似于FLM的 ( F used L ayer M odeling) 打印，通過打印頭擠出材料并逐層沉積。兩組分LSRs和RTV有機硅工藝將在以下展開。LSR需要熱能進行交聯，而RTV有機硅可以在室溫下反應。

△液體增材制造（LAM）工藝有點像FDM，是一種材料擠出技術。每層都經過擠壓，但與FFF和FDM等方法又不同，因為原料在該過程中不會熔化。相反，LAM材料在沉積時是液體，通過熱暴露對液體進行硫化，使材料熱固化交聯，這種工藝使得材料能夠保持機械性能，產生很多新應用。LAM 3D打印可以使組件具有與注塑件幾乎相同的特性，在醫(yī)療、鞋類及柔性材料方面，具有較高的應用價值。

交聯LSR

硅膠打印涉及液體材料。因此，決定性的工藝參數是有機硅的尺寸穩(wěn)定性和交聯。同樣重要的是成品有機硅的強度只能通過材料的化學反應來實現，例如通過加聚或縮聚。基本上，LSR有機硅在不同交聯時間之間存在區(qū)別：生產過程中的交聯和加工后或后加工過程中的交聯。

生產過程中的交聯：

• 加熱構建平臺：增材制造機器中的熱床能夠提供熱交聯能量。根據有機硅的反應時間，可以在加熱的熱床上擠出后幾秒鐘內發(fā)生交聯。
  

然而，這個過程有一個決定性的缺點：溫度分布隨著部件的高度而變化。這是因為層離構建平臺越遠，提供的熱能就越少。這意味著對于多層組件而言，很難實現可靠且恒定的工藝。經驗表明，使用熱床系統(tǒng)制造大于2到3厘米的組件已不再可行。

• 逐層交聯：從上方對各個組件進行熱量輸入可以實現任意數量的層均勻交聯。在打印過程中直接加熱，因此組件在打印后可立即使用。這種方法需要額外的熱源，例如紅外線燈。而且強度和曝光時間必須適應相應層，這使整個制造過程變得更加昂貴和復雜。
  

后處理中的交聯：

另一種方法是利用材料的流變特性，使用具有在擠出后能夠保持其形狀的有機硅。這可以通過有機硅的高粘度或高觸變性或兩者的組合來實現。由LSR有機硅制成的成品部件在后處理階段放入烘箱中，并在適當的溫度下進行交聯，同時熱量輸入不得導致部件發(fā)生任何變形。在這個過程中，不需要在打印過程中使用額外的設備提供熱量。

支撐材料

對于懸垂或橋接（閉合輪廓）結構，必須構建支撐結構進行制造。這種支撐材料應在制造過程中粘附在有機硅上，并在交聯過程中承受熱條件。之后，它必須很容易從成品部件上拆下。然而，為每種硅膠尋找合適的支撐材料是一項挑戰(zhàn)，并且構建支撐結構需要在制造過程使用額外的材料和時間。

RTV：在水凝膠內制造

但是有一個過程可以在不使用支撐結構的情況下實現設計自由：在不同的材料中制造。為此，可以利用長針將硅樹脂擠出到裝有“支撐材料”的容器中。這種支持材料可以是例如粉末或水凝膠。過程如圖所示：

△硅膠3D打�。核�凝膠內的制造過程

在第一步中，將硅膠（橙色）擠出到支撐材料中（藍色），擠出的股線由周圍材料固定。在形成所需結構并且硅酮交聯后，可以用鑷子從材料中取出組件。最后，去除或簡單地洗掉支撐材料的殘留物。RTV有機硅特別適用該工藝，因為它們會在很短的時間（30到60分鐘）后交聯。移除組件后，支撐材料可以再次使用。

△由硅膠制成的DNA結構，作為水凝膠中的3D打印組件制造。

這種方法的最大優(yōu)點是設計自由度高。既不受太陡峭的懸垂限制，也不受橋接的限制。比如圖中的DNA雙螺旋結構，它是用0.3毫米針打印的。迄今為止，使用其他工藝很難完成螺旋之間的細連接。然而，這種技術的缺點是需要大量的支撐材料制造較大的組件，并且LSR材料通常是不可能使用這種工藝進行制造的。

總結——硅膠3D打印

由于基于擠出的制造工藝種類繁多，幾乎所有組件都可以用硅膠生產。根據所需的幾何形狀和硅膠類型，可以選用適當的工藝，成功制造過程的基礎和標準始終是精確且可重復地分配有機硅。然而，硅膠3D打印的潛力還遠未耗盡。特別是新工藝的使用，例如新型支撐材料（如水凝膠），南極熊相信更多全新的設計仍在路上。

參考閱讀：

1. Additive manufacturing with silicone: Extrusion-basedadditive manufacturing methods and processes
2. 3D printing of Standard Materials
3. 德國RepRap推出新型液體硅膠3D打印機L320