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導讀：通過引入可實現(xiàn)硅膠零件3D打印的創(chuàng)新技術，增材制造領域取得了重大突破。這項新技術引起了3D打印行業(yè)的極大興趣，因為以前無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，以前難以想象的新可能性和機遇正在出現(xiàn)。硅膠3D打印被認為將對該行業(yè)產生深遠影響，代表了3D技術發(fā)展的重要里程碑。根據(jù)Precision Business Insight的研究，硅膠3D打印市場預計到2021年將達到159.03億美元（約合1162億人民幣），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打印公司推動新的有機硅兼容解決方案的推動。

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

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，該反應需要催化劑的存在，催化劑可以是酸或堿，其作用是促進硅氧烷官能團之間的鍵合。因此，由于氧和硅原子之間形成的鍵，聚合物鏈表現(xiàn)出顯著的流動性。聚硅氧烷具有耐化學性和良好的物理機械性能，這是其主要特點。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。

有機硅以多種形式存在，具體取決于其組分鏈的大分子結構、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打印領域而言，硅膠的應用具有重要意義。

△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行固化。這個過程逐層重復，直到最終部件完成。此外，該公司聲稱使用它的技術生產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）機械性能。雖然ACEO在2021年已不再存在，但早期參與該領域的公司的3D硅膠打印方法仍然在工業(yè)、化學、醫(yī)藥和牙科等多個領域得到廣泛應用。

△Lynxter S300X硅膠3D打印機

正如之前提到的，與有機硅兼容的3D打印技術之一是光聚合。然而，還有其它增材制造技術可以使用這種類型的材料。在擠出技術的情況下，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，通常使用容積式計量泵來確保高度分配和計量的精度。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。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（FFF/FDM）。然而，所涂敷的材料在從噴嘴出來時并不是固定的，而是以具有一定粘度的流體形式進行自我覆蓋。在打印過程期間和之后，交聯(lián)反應發(fā)生，將聚合物連接在一起形成鏈，并形成一種網(wǎng)絡結構，使材料硬化。交聯(lián)后，部件獲得其最終的物理和化學性能。

△有機硅具有生物相容性，使該材料成為醫(yī)療應用的理想選擇

硅膠3D打印的優(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，這意味著它比其它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，導電、絕緣和生物相容性的結合使有機硅對各種3D打印應用具有吸引力。

關于缺陷方面。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，但提供這種機器的制造商仍然相對有限，導致成本較高且材料選擇受限。另外，目前的3D打印機的打印產能相對較低，盡管可以同時生產多個零件，但尚未為大規(guī)模生產做好準備。許多設備使用單個打印頭，因此適用于創(chuàng)建簡單的平面模型，而不需要復雜模型的支撐結構。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支撐結構。最后，硅膠零件的后處理也存在一些局限性，因為有機硅通常需要更長的固化過程，從而增加了整體生產時間。

△由硅膠制成的3D打印物體

應用和制造

硅膠3D打印技術非常適合中小批量生產、原型制作和創(chuàng)建那些傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的獨特形狀。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)療領域用于制造定制的植入物、假肢和醫(yī)療模型，因為硅膠具有人體組織的觸感，使其成為外科手術的理想選擇。此外，生物醫(yī)學研究領域也廣泛使用硅膠3D打印，將其用作組織工程的支架，用于創(chuàng)建研究和實驗的細胞生長結構。

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

如需了解更多關于硅膠3D打印機的信息，請參閱南極熊的往期文章。

硅膠3D打印的應用、優(yōu)勢、材料以及打印機