探秘硅膠3D打印：一站式指南和深入了解

導(dǎo)讀：通過引入可實(shí)現(xiàn)硅膠零件3D打印的創(chuàng)新技術(shù)，增材制造領(lǐng)域取得了重大突破。這項(xiàng)新技術(shù)引起了3D打印行業(yè)的極大興趣，因?yàn)橐郧盁o法像聚合物或金屬那樣通過加熱熔化硅膠并逐層沉積。這些新發(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，以前難以想象的新可能性和機(jī)遇正在出現(xiàn)。硅膠3D打印被認(rèn)為將對該行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，代表了3D技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。根據(jù)Precision Business Insight的研究，硅膠3D打印市場預(yù)計(jì)到2021年將達(dá)到159.03億美元（約合1162億人民幣），預(yù)計(jì)到2028年將以19.9%的復(fù)合年增長率增長。這種增長也將受到3D打印公司推動(dòng)新的有機(jī)硅兼容解決方案的推動(dòng)。

通過本篇文案，南極熊將介紹有機(jī)硅以及該材料如何在增材制造中應(yīng)用。這一研究將有助于深入了解硅膠3D打印技術(shù)對未來的影響，特別是在醫(yī)療領(lǐng)域和生物材料應(yīng)用中的潛在益處。

什么是硅膠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，該反應(yīng)需要催化劑的存在，催化劑可以是酸或堿，其作用是促進(jìn)硅氧烷官能團(tuán)之間的鍵合。因此，由于氧和硅原子之間形成的鍵，聚合物鏈表現(xiàn)出顯著的流動(dòng)性。聚硅氧烷具有耐化學(xué)性和良好的物理機(jī)械性能，這是其主要特點(diǎn)。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)硅以多種形式存在，具體取決于其組分鏈的大分子結(jié)構(gòu)、尺寸和分布。它可以以硅油和橡膠的形式存在，用作添加劑、潤滑劑或液壓液；也可以以硅凝膠的形式存在，用于乳房假體或自行車鞍座；最常見的形式是硅膠，用作彈性體。因此，對于3D打印領(lǐng)域而言，硅膠的應(yīng)用具有重要意義。

△通過壓力注射器3D打印硅膠

硅膠3D打印

第一家開發(fā)用于3D打印硅膠的公司是德國化學(xué)巨頭瓦克化學(xué)股份公司（Wacker Chemie AG）的子公司ACEO。2016年，該公司推出了一種類似噴墨打印的工藝，其中硅樹脂液滴被涂成一層，然后通過紫外線光源進(jìn)行固化。這個(gè)過程逐層重復(fù)，直到最終部件完成。此外，該公司聲稱使用它的技術(shù)生產(chǎn)的零件具有與注塑成型相媲美的各向同性（即在所有方向上均勻）機(jī)械性能。雖然ACEO在2021年已不再存在，但早期參與該領(lǐng)域的公司的3D硅膠打印方法仍然在工業(yè)、化學(xué)、醫(yī)藥和牙科等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

△Lynxter S300X硅膠3D打印機(jī)

正如之前提到的，與有機(jī)硅兼容的3D打印技術(shù)之一是光聚合。然而，還有其它增材制造技術(shù)可以使用這種類型的材料。在擠出技術(shù)的情況下，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，通常使用容積式計(jì)量泵來確保高度分配和計(jì)量的精度。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。然后，材料通過連接到泵出口的精密噴嘴被施加。

這一過程使得所描述的增材制造工藝類似于擠出技術(shù)（FFF/FDM）。然而，所涂敷的材料在從噴嘴出來時(shí)并不是固定的，而是以具有一定粘度的流體形式進(jìn)行自我覆蓋。在打印過程期間和之后，交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生，將聚合物連接在一起形成鏈，并形成一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使材料硬化。交聯(lián)后，部件獲得其最終的物理和化學(xué)性能。

△有機(jī)硅具有生物相容性，使該材料成為醫(yī)療應(yīng)用的理想選擇

硅膠3D打印的優(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，這意味著它比其它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。這也是由于它的高透明度，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)硅對各種3D打印應(yīng)用具有吸引力。

關(guān)于缺陷方面。首先，在硬件和材料方面的可獲得性方面，盡管越來越多的公司正在開發(fā)硅膠3D打印技術(shù)，但提供這種機(jī)器的制造商仍然相對有限，導(dǎo)致成本較高且材料選擇受限。另外，目前的3D打印機(jī)的打印產(chǎn)能相對較低，盡管可以同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)零件，但尚未為大規(guī)模生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。許多設(shè)備使用單個(gè)打印頭，因此適用于創(chuàng)建簡單的平面模型，而不需要復(fù)雜模型的支撐結(jié)構(gòu)。不過，近年來這一情況有所改善，更多的雙頭IDEX解決方案也可以生產(chǎn)支撐結(jié)構(gòu)。最后，硅膠零件的后處理也存在一些局限性，因?yàn)橛袡C(jī)硅通常需要更長的固化過程，從而增加了整體生產(chǎn)時(shí)間。

△由硅膠制成的3D打印物體

應(yīng)用和制造

硅膠3D打印技術(shù)非常適合中小批量生產(chǎn)、原型制作和創(chuàng)建那些傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特形狀。醫(yī)療行業(yè)是其中受益最多的行業(yè)之一。硅膠3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域用于制造定制的植入物、假肢和醫(yī)療模型，因?yàn)楣枘z具有人體組織的觸感，使其成為外科手術(shù)的理想選擇。此外，生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域也廣泛使用硅膠3D打印，將其用作組織工程的支架，用于創(chuàng)建研究和實(shí)驗(yàn)的細(xì)胞生長結(jié)構(gòu)。

另一個(gè)硅膠3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域是軟機(jī)器人，該材料特別適合制造軟機(jī)器人部件，如可抓取和處理精細(xì)物體的夾具。由于其特性，硅膠3D打印也被研究用作柔性和彈性電子產(chǎn)品的材料。此外，消費(fèi)品行業(yè)也在使用硅膠3D打印，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。

如需了解更多關(guān)于硅膠3D打印機(jī)的信息，請參閱南極熊的往期文章。

硅膠3D打印的應(yīng)用、優(yōu)勢、材料以及打印機(jī)