硅膠3D打印的應(yīng)用、優(yōu)勢、材料以及打印機(jī)

當(dāng)今的大多數(shù)硅膠密封件、接頭、可穿戴技術(shù)、機(jī)器人夾具等都是通過注射或壓縮成型制成的。這個(gè)過程需要一個(gè)模型，使用該模型制作模具，然后將硅膠注入模具中，整個(gè)步驟較為繁瑣。3D打印硅膠技術(shù)完全消除了模型和模具制造步驟，只需打印最終部件即可。這顯然節(jié)省了大量成本和時(shí)間，根據(jù) 3D 打印機(jī)制造商3D Systems 的說法，3D打印硅膠直接成型比注塑成型快 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，能夠更快地現(xiàn)場測試新產(chǎn)品

但3D打印硅膠也面臨著挑戰(zhàn)，與固體聚合物長絲不同，固體聚合物長絲在加熱時(shí)具有延展性，在冷卻時(shí)再次固化，例如 PLA 或 TPU。硅膠一旦凝固，就無法再次變得柔韌。它也與光聚合物樹脂不同，因?yàn)橛袡C(jī)硅對紫外線具有很強(qiáng)的抵抗力，并且不能以其純凈形式進(jìn)行固化。有機(jī)硅需要添加劑來使材料對光或熱敏感。

這種材料的復(fù)雜性意味著硅膠需要特殊的 3D 打印機(jī)，例如 Spectroplast 和 Lynxter 的打印機(jī)。然而，如果應(yīng)用不需要 100% 純硅膠，用戶可以選擇更多基于硅膠和類似硅膠的材料，這些材料如今應(yīng)用更加廣泛，并且適用于許多現(xiàn)有的樹脂 3D 打印機(jī)。當(dāng)有機(jī)硅用于樹脂 3D 打印機(jī)時(shí)，有機(jī)硅材料會(huì)與其他聚合物樹脂混合，因此會(huì)失去一些顯著特性，但這仍然是各種應(yīng)用的理想選擇。

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，3D打印的硅膠假肢襯墊

從應(yīng)用角度來看，3D打印硅膠技術(shù)適合中小批量、產(chǎn)品原型、獨(dú)特形狀，或者針對患者的產(chǎn)品。主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：

●醫(yī)療植入物： 3D 打印硅膠植入物正在探索用于半月板植入物 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)假肢提供了舒適、可定制的替代方案。

●軟機(jī)器人： 3D 打印硅膠非常適合創(chuàng)建軟機(jī)器人組件，例如能夠抓取和操縱精致物體的夾具。

●醫(yī)療模型：硅膠可以具有人體組織的感覺和反應(yīng)，使其成為醫(yī)療模型和手術(shù)實(shí)踐輔助工具的理想選擇。

●可穿戴設(shè)備： 3D 打印硅膠用于創(chuàng)建定制可穿戴設(shè)備，用于消費(fèi)者可穿戴設(shè)備的研究和原型，例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拉伸的織物，在時(shí)尚和運(yùn)動(dòng)服裝中具有潛在應(yīng)用。

●電子產(chǎn)品： 3D 打印硅膠正在被探索作為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 打印硅膠用作組織工程的支架，創(chuàng)建用于研究和實(shí)驗(yàn)的細(xì)胞生長結(jié)構(gòu)。

●聲學(xué)： 3D 打印硅膠用于制造隔音材料，例如隔音屏障、吸音器和減振器。

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

隨著材料科學(xué)和制造工藝的發(fā)展，有機(jī)硅已進(jìn)入增材制造領(lǐng)域。工業(yè)用硅膠 3D 打印，尤其是制造業(yè)和醫(yī)療保健領(lǐng)域確實(shí)已經(jīng)發(fā)展起來。2022 年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織 (CSIRO) 開發(fā)了一種新型硅樹脂，可用于普通市售桌面 DLP 打印機(jī)，無需進(jìn)行修改。從那時(shí)起，該組織一直在尋找工業(yè)合作伙伴來幫助進(jìn)一步開發(fā)有機(jī)硅樹脂技術(shù)并將其商業(yè)化。

2023年2月，研究人員 3D 打印了帶有嵌入式壓阻傳感器的硅鞋墊，用于測量身體活動(dòng)期間的步態(tài)力。另一項(xiàng)新研究使用了 3D 打印的硅膠仿生手指和集成觸覺反饋系統(tǒng)來測試柔性電子產(chǎn)品。


△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

硅膠材質(zhì)特性

●優(yōu)異的熱穩(wěn)定性
●有不同硬度可供選擇
●耐水性和作為密封劑的適用性
●抗紫外線
●抗氧化性
●抗壓和抗剪性能
●阻燃性
●電氣絕緣
●生物相容性
●食品安全
●可滅菌
●顏色和半透明度可選


△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

類硅材料和硅替代材料

大多數(shù)硅膠 3D 打印機(jī)無法使用與注塑成型完全相同的材料進(jìn)行打印。只有 Spectroplast、Lynxter 和 Eklem 等少數(shù)公司聲稱能夠使用 100% 硅膠進(jìn)行 3D 打印。許多其他公司提供含有添加劑的硅基材料，使其更易于 3D 打印。

紫外線固化劑等添加劑會(huì)削弱有機(jī)硅的性能或降低最終部件的質(zhì)量和使用壽命，因此與其他聚合物的特殊共混物可以彌補(bǔ)這種影響。也就是說，這些改性有機(jī)硅仍然具有許多積極的特性，并且適用于廣泛的應(yīng)用。

可3D打印的聚氨酯用于墊圈和其他需要軟橡膠特性但可能不需要純硅樹脂的所有優(yōu)點(diǎn)的應(yīng)用。例如，Chromatic 3D Materials提供可 3D 打印的工業(yè)強(qiáng)度彈性體產(chǎn)品，包括聚氨酯和其他熱固性彈性體，用于運(yùn)輸、工業(yè)密封件和墊圈、紡織品、醫(yī)療設(shè)備和國防。Chromatic 的 RX-AM 材料和技術(shù)平臺(tái)基于反應(yīng)擠出增材制造，這是一種使用化學(xué)反應(yīng)的沉積 3D 打印。

如何以及為何使用硅膠進(jìn)行 3D 打印


△來自Elkem按需服務(wù)的 3D 打印硅膠

在過去五年中，許多公司開發(fā)了 3D 打印硅膠的新方法，有些使用帶有噴墨打印頭沉積和紫外線的材料噴射方法。其中一種方法稱為按需滴注，通過一次植入一個(gè)體素的有機(jī)硅溶液（有機(jī)硅加 UV 活化粘合劑）來 3D 打印有機(jī)硅。每鋪一層后，紫外線光源都會(huì)激活粘合劑，然后種植下一層。盡管 Aceo 公司的這種做法看起來很有前途，但其母公司W(wǎng)acker Chemie)在 2021 年底完全放棄了這種做法。

液體增材制造（LAM）是德國 RepRap 創(chuàng)造的一個(gè)術(shù)語，用于描述擠出液體硅膠的過程，然后用燈的熱量進(jìn)行固化。LAM是與陶氏化學(xué)公司合作開發(fā)的，這些基于LAM的3D打印機(jī)在收購德國RepRap后現(xiàn)在屬于InnovatiQ品牌。

其他方法還包括還原光聚合方法。在此，有機(jī)硅與其他光敏樹脂混合，可以在處理其他材料的相同3D打印機(jī)中使用，就像3D打印機(jī)制造商 Carbon 和 Desktop Metal 的情況一樣。所有方法生產(chǎn)的零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)行打印

軟件、支持和后處理

用戶將需要特殊的切片軟件來解釋這種獨(dú)特材料的限制和屬性，下文介紹的每個(gè)打印機(jī)解決方案都提供自定義切片軟件。與許多 3D 打印方法一樣，復(fù)雜的幾何形狀和懸臂形狀需要支撐結(jié)構(gòu)。后處理包括去除支撐材料，通常還需要進(jìn)行額外的固化以進(jìn)一步固化有機(jī)硅部件。還可以在打印過程中對硅膠部件進(jìn)行著色。由于硅膠零件在固化后具有良好的表面光潔度，因此通常不需要大量的后處理。


△B9 Creations 的硅膠彈性體模具

硅膠 3D 打印機(jī)
目前市場上純硅膠打印機(jī)較少，但如果僅尋找類似硅膠的柔軟觸感材料進(jìn)行打印，用戶的選擇范圍將大大增加。

Spectroplast SAM


△圖片來自：Spectroplast SAM

Spectroplast 是一家瑞士 3D 打印公司，開發(fā)了自己的有機(jī)硅增材制造專利。該公司曾利用其技術(shù)僅作為按需打印服務(wù)運(yùn)營，于 2022 年 8 月推出了首款可供購買的硅膠 3D 打印機(jī)。與其他 3D 打印機(jī)不同，Spectroplast 使用“真正的”100% 醫(yī)療級 ISO 認(rèn)證有機(jī)硅進(jìn)行打印，確保了假肢、矯形器、助聽器和牙科設(shè)備的生物相容性。

其 SAM（有機(jī)硅增材制造）3D 打印機(jī)采用一種采用 UV 固化有機(jī)硅的還原聚合技術(shù)，該工藝非常精確，公差約為 0.1 毫米，并且可以進(jìn)行調(diào)整以制造具有從 A20 到 A60 不同肖氏硬度的零件。Spectroplast 提供多種真正的硅膠，包括 TrueSil 系列（僅在按需服務(wù)中提供）以及與打印機(jī)一起銷售的 Madura

InnovatiQ: LiQ 320


△德國公司InnovatiQ的LiQ 320 3D打印機(jī)（來源：InnovatiQ）

德國公司InnovatiQ （設(shè)備巨頭 Arburg 旗下公司）的 LiQ 320 3D 打印機(jī)可使用液體硅橡膠打印組件。該公司表示，原型和功能部件的生產(chǎn)質(zhì)量可與注塑成型相當(dāng)。將數(shù)字文件發(fā)送到 3D 打印機(jī)后，一層高粘性硅膠材料就會(huì)從打印頭擠出到打印床上。然后，內(nèi)置燈產(chǎn)生熱量以激活分子水平上液體元素的交聯(lián)。重復(fù)此過程，直到創(chuàng)建所需的零件。打印過程結(jié)束后，成品組件立即發(fā)揮作用并可供使用，無需任何后處理。

在材料方面，LiQ 320 與 InnovatiQ 的 Silastic 3D 3335 液體硅橡膠 (LSR) 配合使用，這是一種將有機(jī)硅彈性體的性能優(yōu)勢與 3D 打印的設(shè)計(jì)和加工優(yōu)勢相結(jié)合的材料。Silastic 3D 3335 具有抗紫外線和臭氧特性，因此特別適用于醫(yī)療領(lǐng)域的所有類型的密封件、接頭、鞋部件、外殼和其他產(chǎn)品。最小層厚（毫米）：0.22 – 0.9。

Lynxter S300X


△Lynxter S300X 硅膠 3D 打印機(jī)

另一家在硅膠領(lǐng)域相對較新的 3D 打印機(jī)制造商是法國的 Lynxter。該公司于 2022 年底推出了新型S300X 硅膠按需滴注 3D 打印機(jī)。其首款硅膠打印機(jī)是 2017 年推出的 S600D。高容量材料墨盒可以完全自主地打印大型部件或多個(gè)小部件，并且更換材料墨盒的次數(shù)更少。它具有 300 x 250 x 200 毫米的大打印體積，并且可以生產(chǎn)最小層高為 100 微米的零件。

S300X 采用一系列醫(yī)療和工業(yè)級有機(jī)硅（RTV2 有機(jī)硅 5、10、25、40 ShaA、45shA）和聚氨酯（50 至 85 ShA）進(jìn)行打印，非常適合生產(chǎn)用于后處理（噴漆、該公司表示，這些材料包括打磨、等離子處理等）、阻尼器、密封件、經(jīng)過皮膚接觸認(rèn)證的矯形器以及具有附加功能的紡織品。

作為一款雙擠出機(jī) IDEX 3D 打印機(jī)，S300X 配備了用于打印支撐件的單組件工具頭和用于打印零件的雙組件工具頭。這也為在一次打印中組合材料和打印具有不同物理屬性的零件鋪平了道路。Lynxter 表示 S300X 將于 2023 年上市。

B9 Creations Core 5 Series Med XL


△B9 Creations 的 Core 5  Series Med XL 樹脂 DLP 3D 打印機(jī)可以使用醫(yī)用級硅膠進(jìn)行新打印

3D 打印機(jī)和材料制造商 B9 Creations 于 2022 年 1 月推出了 BioRes 硅膠（每 1 公斤瓶 345 美元），用于該公司的 B9 Core 5 系列 Med XL 405 和 385 3D 打印機(jī)。這些材料具有高表面光潔度、抗裂性和精度，還通過了 ISO 90993 認(rèn)證，可與皮膚長時(shí)間接觸長達(dá) 30 天。BioRes 適用于大多數(shù)其他基于光聚合物樹脂的 3D 打印機(jī)平臺(tái)。

B9 Core 5 Series Med XL 385（配備 385 納米光引擎）是一款基于樹脂的 DLP 機(jī)器，使客戶能夠以 25 微米有效分辨率 3D 打印半透明、白色和特種材料，例如硅膠。它擁有 IEC 60601-1 和 IEC 60601-1-2 醫(yī)療設(shè)備合規(guī)性和 CE 認(rèn)證。

Delta Tower Fluid MT


△Delta Tower Fluid MT 可以使用按需滴注 3D 打印技術(shù)沉積雙組分有機(jī)硅

來自瑞士初創(chuàng)公司Delta Tower的 Fluid MT 和 Fluid ST是多工具和單工具 3D 打印機(jī)，配有精密體積計(jì)量系統(tǒng)，適用于粘性、一種或兩種成分的流體和糊劑，例如硅膠。該公司表示，流體打印機(jī)采用按需滴注技術(shù)，最小擠出量為 0.0208 µl，能夠在不變形的情況下使用流體材料進(jìn)行構(gòu)建。MT 多工具版本在一次打印過程中最多可以使用 6 個(gè)工具。

該公司與Elkem Silicones合作，后者剛剛推出了一種用于硅 3D 打印的新型支撐材料 AMSil 92100，材料是水溶性的，可以在后處理階段被洗掉。Elkem提供從 ShaA 10 到 ShaA 70 的 100% 有機(jī)硅，可與多種類型的基于 DOD 的 3D 打印系統(tǒng)配合使用。除了在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中使用之外，現(xiàn)在還允許在食品級應(yīng)用中使用。


Prayasta Silimac P250


△用于有機(jī)硅彈性體的 Prayasta Silimac P250 3D 打印機(jī)

印度初創(chuàng)公司Prayasta于 2023 年推出了 Silimac P250 硅膠 3D 打印機(jī)，專門針對植入級硅膠，用于制造個(gè)性化軟組織植入物和假肢。Prayasta 表示，Silimac P250 具有 250 x 250 x 250 毫米的構(gòu)建室，是一款可立即投入生產(chǎn)的機(jī)器，可以管理大批量硅膠零件的生產(chǎn)。該公司表示，該打印機(jī)包括用于打印室的內(nèi)置紫外線消毒裝置和無污染的支撐系統(tǒng)，可促進(jìn)植入物 3D 打印的理想衛(wèi)生狀況。打印分辨率為 50 微米，材料包括 NuSil 等公司的有機(jī)硅彈性體。

Desktop Health： EnvisionTec Bioplotter


△Desktop Health EnvisionTec Bioplotter

醫(yī)療行業(yè)特別感興趣的是，美國公司 Desktop Health（Desktop Metal 的一個(gè)部門）提供了一種生物打印機(jī)，該打印機(jī)也可以使用兩種硅膠進(jìn)行打印。3D-Bioplotter于 2000 年推出，具有三個(gè)功能級別：入門級、開發(fā)級和制造商級。它使用注射器的空氣或機(jī)械壓力來處理開源生物材料和硅膠。硅膠通過針尖從材料盒中分配出來，形成 3D 物體，然后用紫外線固化。所有型號均設(shè)計(jì)用于無菌生物安全柜，符合臨床試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并提供高達(dá) 192.4 立方英寸的構(gòu)建尺寸。

3D-Bioplotters 使用戶可以通過軟件完全控制所有打印參數(shù)（溫度、壓力、速度等）。除了熱塑性塑料和纖維素材料外，3D-Bioplotter 還可以使用 3D-Bioplotter Silicone TG（一種可 3D 打印中等硬度物體的技術(shù)級硅膠）和 3D-Bioplotter UV Silicone 60A MG（一種可 3D 打印的醫(yī)療級硅膠）進(jìn)行打印。Desktop Health 在 2021 年收購了 3D-Bioplotter 的發(fā)明者 EnvisionTEC 的同時(shí)，也收購了 3D-Bioplotter。

Formlabs


△Formlabs 新型 Silicone 40A Resin 與其 Form 3+ 樹脂 3D 打印機(jī)兼容

打印機(jī)制造商 Formlabs 于 2023 年 9 月推出了硅膠材料Silicone 40A Resin。Formlabs 正在申請一項(xiàng)關(guān)于“純硅膠技術(shù)”的專利，該技術(shù)依賴于 Formlabs 的標(biāo)準(zhǔn)立體光刻 (SLA) 生態(tài)系統(tǒng)，可在幾小時(shí)內(nèi)在內(nèi)部“生產(chǎn) 100% 硅膠部件”。目前尚未公布有關(guān)新技術(shù)的詳細(xì)信息，但該硅樹脂產(chǎn)品與 Formlabs Form 3+ 打印機(jī)兼容。

硅膠 40A 樹脂部件具有 40A 肖氏硬度、230% 斷裂伸長率。采用有機(jī)硅 40A 樹脂制成的零件具有 34% 的回彈性、耐化學(xué)性和耐熱性（-25°C 至 125°C），并且可以具有小至 0.3 毫米的精細(xì)特征和傳統(tǒng)制造難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀方法。Silicone 40A 樹脂的生物相容性仍在評估中。


San Draw S053 & S300


△San Draw 的硅膠 3D 打印機(jī)

臺(tái)灣的San Draw提供兩款硅膠 3D 打印機(jī)：S053（7,000 美元）和更大的 S300。這些機(jī)器采用 San Draw 專有的兩部分有機(jī)硅的按需滴注技術(shù)，該技術(shù)具有生物相容性（通過 ISO 10993 認(rèn)證）、柔韌且耐高溫（高達(dá) 250℃）。

S02 53 的構(gòu)建體積為 200 x 150 x 100 毫米，與第三方材料兼容，包括水凝膠、陶瓷凝膠、食品凝膠等。S300是另一款兩部分硅膠打印機(jī)，也可以同時(shí)使用水溶性支撐材料進(jìn)行打印，因此它適用于自由表面和薄壁零件。該公司表示，其專注于醫(yī)療應(yīng)用，包括醫(yī)療訓(xùn)練器、模擬器、手術(shù)訓(xùn)練器、術(shù)前模擬模型和醫(yī)療設(shè)備。

Carbon3D


△圖片來源：Carbon3D

知名 3D 打印機(jī)制造商 Carbon 配制了在其還原聚合平臺(tái)上使用的所有材料。該公司的有機(jī)硅材料 SIL 30 是一種柔軟、生物相容且抗撕裂的有機(jī)硅聚氨酯彈性體，非常適合皮膚接觸應(yīng)用。SIL 30 的確切成分尚未公布，但其技術(shù)數(shù)據(jù)表涵蓋了其機(jī)械性能和化學(xué)相容性。SIL 30 僅適用于 Carbon 的樹脂 3D 打印機(jī)，該打印機(jī)使用該公司稱為數(shù)字光合成 (DLS) 的技術(shù)，這是一種桶聚合技術(shù)。

Siliprin


△圖片：Siliprin

Siliprin是一家初創(chuàng) 3D 打印機(jī)公司，由 Osman Doğan Yirmibeşoğlu 于 2020 年在俄勒岡州立大學(xué)擔(dān)任研究員時(shí)創(chuàng)立。該打印機(jī)可以使用介于按需滴注和擠出之間的技術(shù)制造兩部分軟硅膠組件。該打印機(jī)具有較大的打印體積（400 毫米 x 400 毫米 x 250 毫米）、開放式材料容量以及可提供 18 小時(shí)打印時(shí)間的嵌入式泵系統(tǒng)。可在打印過程中更換可更換墨盒，而不會(huì)中斷打印作業(yè)。

硅膠打印服務(wù)
Spectroplast不僅是一家 3D 打印機(jī)制造商，也是一家按需服務(wù)公司。該公司已經(jīng)打印了近一百萬個(gè)硅膠零件，其核心業(yè)務(wù)是硅膠即服務(wù)。所有零件均在 Spectroplast 位于瑞士的生產(chǎn)工廠生產(chǎn)，并運(yùn)往世界各地，該公司計(jì)劃在未來幾年在美國開設(shè)一家工廠。美國服務(wù)提供商 Protolabs 最近宣布與 Spectroplast 建立 3D 打印客戶零件合作伙伴關(guān)系。

挪威有機(jī)硅材料制造商Elkem也提供有機(jī)硅 3D 打印服務(wù)。Elkem開發(fā)了一種基于擠出原理的生產(chǎn)工藝，稱為液體沉積成型 (LDM)，使用一系列新的定制有機(jī)硅材料：AMSil 系列。用戶可以使用 100% 有機(jī)硅設(shè)計(jì)具有復(fù)雜幾何形狀和懸伸的高性能零件，這是使用傳統(tǒng)模具和機(jī)械加工無法實(shí)現(xiàn)的，通過直接打印來創(chuàng)建彈性體零件或物體。

3D Alchemy是一家總部位于英國的增材制造服務(wù)公司，提供“100% 純 LSR 硅膠”，并獲得 3D 打印 ISO 認(rèn)證，該公司的硅膠3D打印工藝允許使用單獨(dú)的可溶支撐材料來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀，然后在構(gòu)建后將其洗掉。

3D 打印市場Craftcloud提供 Keyance 的硅橡膠材料，用于 3D 打印薄壁但靈活的模型，由于采用了水溶性支撐材料，該模型在后處理過程中不會(huì)破裂。


△Lynxter 3D 打印的面罩、塞子和各種硅膠蓋