硅胶 3D 打印完整指南

硅胶 3D 打印技术是增材制造领域的一项重大突破，这项新技术引起了 3D 打印行业的极大兴趣，因为硅胶材料不可能像聚合物或金属那样通过能够加热熔化并逐层沉积。硅胶 3D 打印取得的新发展，特别是在医疗和医用生物材料领域，正在帮助改善患者现有治疗的结果。此外，随着3D打印技术的稳步进步和成熟，以前不可想象的新可能性和机遇正在出现。

硅胶3D打印预计将对行业产生重大影响，代表着3D技术发展的重要里程碑。根据 Precision Business Insight 的一项研究，硅胶 3D 打印市场预计到 2021 年将达到 15.903 亿美元，预计到 2028 年将以 19.9% 的复合年增长率增长。这种增长也将受到 3D 打印公司提供的推动新的有机硅兼容解决方案。在本文中，南极熊对有机硅以及该材料如何在增材制造中使用进行了详细介绍。

△照片来源：Beamler

硅胶：它是什么以及它是如何制造的？

聚硅氧烷，俗称有机硅，是由硅氧烷（由硅和氧原子组成的分子）聚合而成的无机聚合物。在聚硅氧烷的情况下，聚合通过硅氧烷的缩合反应发生。该转化过程是在催化剂存在的情况下发生，催化剂可以是酸或碱，其功能是促进硅氧烷官能团之间形成键。因此，由于氧和硅原子之间形成的键，聚合物链表现出明显的流动性。这类聚合物的特点主要在于其耐化学性及其物理和机械性能。聚硅氧烷和有机硅是指相同材料的术语。虽然前者是技术术语，但后者更常用于商业和日常环境中。

有机硅以各种状态存在，具体取决于其组分链的大分子结构、尺寸和分布。它以硅油和橡胶（用作添加剂、润滑剂或液压液）、硅凝胶（用于乳房假体或自行车鞍座）以及最后作为弹性体的形式存在。后者是当今最常用的硅胶类型。

第一家开发用于打印硅胶的 3D 打印系统的公司是德国化学巨头瓦克化学股份公司 (Wacker Chemie AG) 的子公司 ACEO。2016年，该公司推出了类似喷墨打印的工艺。在这种情况下，硅树脂液滴被涂成一层，然后用紫外线光源固化；逐层重复该过程，直到创建最终部件。此外，该公司声称其技术生产的零件具有与注塑成型相当的各向同性（即在所有方向上均匀）机械性能。ACEO于2021年停止运营，但这位早期领航者所开发的硅胶3D打印方法仍然在各个领域得到需求和应用，包括工业品、化学品、医学和牙科。

△通过压力注射器 3D 打印硅胶（照片来源：AMFG）

如前所述，与有机硅兼容的另一项 3D 打印技术是光聚合技术。然而，还有其他增材制造技术可以使用这种类型的材料。在基于挤出原理的3D打印应用场景中，有机硅需要特定的硬件性能。首先，材料必须包装在带有柱塞的可连接注射器中。压力头通常配备容积式计量泵，以确保高分配和计量精度。这些泵通过压力注射器提供原材料，并输送和计量要打印的材料量。该材料通过连接到泵出口的精密喷嘴施加。

这样，所描述的增材制造工艺类似于挤出技术（FFF/FDM）。然而，所涂敷的材料从喷嘴出来时并不是固定的，而是将打印的流体配制为具有一定的粘度，以便它可以自我覆盖。交联反应（其中聚合物结合在一起形成链并形成一种网络）在打印过程期间和之后发生，并使已形成的材料硬化。交联后，部件获得最终的物理和化学性能。

硅胶3D打印的优点和局限性

接下来我们讨论一下硅胶3D打印制造技术的优点和局限性。该技术主要优点之一是硅胶可以创建具有高灵活性和耐用性的 3D 模型。反过来，这意味着它比其他材料能够承受更高的负载和压力，同时由于其灵活性而节省空间，所有这些都不会影响其机械性能。硅胶还可以抵抗极端温度和辐射波动，使零件比玻璃或类似材料更不易受到此类影响。当玻璃被认为太脆弱时，专业人士通常会选择硅胶。这也是由于其高透明度，这使得它非常适合需要目视检查的模型。最后，导电、绝缘和生物相容性的结合使有机硅在各种 3D 打印应用显现出巨大潜力，正如我们将在下面看到的。

△医学中的硅药物；有机硅具有生物相容性，使其成为医疗应用的理想选择（照片来源：Nick Pitsas）

硅胶 3D 打印的缺点之一是硬件和材料方面的可及性。尽管越来越多的公司正在开发硅胶3D打印的技术解决方案，但提供此类机器的制造商仍然很少。因此，成本高且材料选择有限。此外，目前的3D打印机的打印量相对较低，虽然可以同时生产多个零件，但还没有做好大批量生产的准备。许多设备使用单个打印头，因此它们可以创建简单的平面模型，而无需复杂模型的支撑结构。然而，近年来这种情况发生了变化，更多的双头IDEX 解决方案也可以生产支撑结构。最后，零件的后处理还有该技术的其他局限性。有机硅通常需要更长的固化过程，这增加了总体生产时间。

应用和制造商

硅胶 3D 打印非常适合中小批量生产、原型制作和创建使用传统方法无法想象的独特形状。从这项技术中受益最多的行业之一是医疗行业。在该领域，硅胶 3D 打印用于生产为每位患者定制的植入物、假肢和医疗模型。硅胶摸起来就像人体组织，这使其成为外科手术的理想选择。生物医学研究也在利用这种 3D 打印硅胶，将其用作组织工程的支架，以创建用于研究和实验的细胞生长结构。

软机器人是这种硅树脂增材制造形式的另一种应用。该材料特别适合生产软机器人部件，例如能够抓取和处理精致物体的夹具。由于其特性，3D 打印硅胶也被探索作为柔性和弹性电子产品的可行材料。另一个使用 3D 打印硅胶的行业是消费品。它主要用于生产柔性和弹性服装模型以及智能手表等可穿戴设备的原型。

△由硅胶制成的 3D 打印物体（照片来源：AMFG）

例如，市场上最知名的企业之一是埃肯有机硅公司，该公司致力于开发用于先进制造的有机硅。此外，3D 打印领域的一些制造商拥有适合使用这些材料的机器。当然，其中包括 ACEO，还包括 Deltatower、innovatiQ、Lynxter、Spectroplast 或 San Draw 等。