硅胶3D打印的应用、优势、材料以及打印机
时间：2023-10-09 10:56 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
△游泳产品制造商 Finis 在 8 小时内 3D 打印出泳镜垫片原型，能够更快地现场测试新产品
但3D打印硅胶也面临着挑战，与固体聚合物长丝不同，固体聚合物长丝在加热时具有延展性，在冷却时再次固化，例如 PLA 或 TPU。硅胶一旦凝固，就无法再次变得柔韧。它也与光聚合物树脂不同，因为有机硅对紫外线具有很强的抵抗力，并且不能以其纯净形式进行固化。有机硅需要添加剂来使材料对光或热敏感。
这种材料的复杂性意味着硅胶需要特殊的 3D 打印机，例如 Spectroplast 和 Lynxter 的打印机。然而，如果应用不需要 100% 纯硅胶，用户可以选择更多基于硅胶和类似硅胶的材料，这些材料如今应用更加广泛，并且适用于许多现有的树脂 3D 打印机。当有机硅用于树脂 3D 打印机时，有机硅材料会与其他聚合物树脂混合，因此会失去一些显着特性，但这仍然是各种应用的理想选择。
3D打印硅胶的应用
△瑞士公司 MotionTech 根据个体患者扫描数据创建定制的 Your Liner，3D打印的硅胶假肢衬垫
从应用角度来看，3D打印硅胶技术适合中小批量、产品原型、独特形状，或者针对患者的产品。主要应用领域如下：
●医疗植入物： 3D 打印硅胶植入物正在探索用于半月板植入物 和其他医疗设备。
●假肢： 3D 打印硅胶假肢和假肢衬垫为传统假肢提供了舒适、可定制的替代方案。
●软机器人： 3D 打印硅胶非常适合创建软机器人组件，例如能够抓取和操纵精致物体的夹具。
●医疗模型：硅胶可以具有人体组织的感觉和反应，使其成为医疗模型和手术实践辅助工具的理想选择。
●可穿戴设备： 3D 打印硅胶用于创建定制可穿戴设备，用于消费者可穿戴设备的研究和原型，例如智能手表和健身追踪器。
●纺织品： 3D 打印硅胶可用于柔性和可拉伸的织物，在时尚和运动服装中具有潜在应用。
●电子产品： 3D 打印硅胶正在被探索作为柔性和可拉伸电子产品的潜在材料。
●生物医学研究： 3D 打印硅胶用作组织工程的支架，创建用于研究和实验的细胞生长结构。
●声学： 3D 打印硅胶用于制造隔音材料，例如隔音屏障、吸音器和减振器。
有机硅及类有机硅材料
△采用 SIL 30 3D 打印零件，SIL 30 是一种来自 Carbon 的硅胶材料
随着材料科学和制造工艺的发展，有机硅已进入增材制造领域。工业用硅胶 3D 打印，尤其是制造业和医疗保健领域确实已经发展起来。2022 年，澳大利亚联邦科学与工业研究组织 (CSIRO) 开发了一种新型硅树脂，可用于普通市售桌面 DLP 打印机，无需进行修改。从那时起，该组织一直在寻找工业合作伙伴来帮助进一步开发有机硅树脂技术并将其商业化。
2023年2月，研究人员 3D 打印了带有嵌入式压阻传感器的硅鞋垫，用于测量身体活动期间的步态力。另一项新研究使用了 3D 打印的硅胶仿生手指和集成触觉反馈系统来测试柔性电子产品。
△CSIRO希望其开发的DLP兼容有机硅树脂能够尽快实现商业化
硅胶材质特性
●优异的热稳定性
●有不同硬度可供选择
●耐水性和作为密封剂的适用性
●抗紫外线
●抗氧化性
●抗压和抗剪性能
●阻燃性
●电气绝缘
●生物相容性
●食品安全
●可灭菌
●颜色和半透明度可选
△一系列可 3D 打印的弹性体材料可以在各种应用中替代硅胶
类硅材料和硅替代材料
大多数硅胶 3D 打印机无法使用与注塑成型完全相同的材料进行打印。只有 Spectroplast、Lynxter 和 Eklem 等少数公司声称能够使用 100% 硅胶进行 3D 打印。许多其他公司提供含有添加剂的硅基材料，使其更易于 3D 打印。
紫外线固化剂等添加剂会削弱有机硅的性能或降低最终部件的质量和使用寿命，因此与其他聚合物的特殊共混物可以弥补这种影响。也就是说，这些改性有机硅仍然具有许多积极的特性，并且适用于广泛的应用。
可3D打印的聚氨酯用于垫圈和其他需要软橡胶特性但可能不需要纯硅树脂的所有优点的应用。例如，Chromatic 3D Materials提供可 3D 打印的工业强度弹性体产品，包括聚氨酯和其他热固性弹性体，用于运输、工业密封件和垫圈、纺织品、医疗设备和国防。Chromatic 的 RX-AM 材料和技术平台基于反应挤出增材制造，这是一种使用化学反应的沉积 3D 打印。
如何以及为何使用硅胶进行 3D 打印
△来自Elkem按需服务的 3D 打印硅胶
在过去五年中，许多公司开发了 3D 打印硅胶的新方法，有些使用带有喷墨打印头沉积和紫外线的材料喷射方法。其中一种方法称为按需滴注，通过一次植入一个体素的有机硅溶液（有机硅加 UV 活化粘合剂）来 3D 打印有机硅。每铺一层后，紫外线光源都会激活粘合剂，然后种植下一层。尽管 Aceo 公司的这种做法看起来很有前途，但其母公司Wacker Chemie)在 2021 年底完全放弃了这种做法。
液体增材制造（LAM）是德国 RepRap 创造的一个术语，用于描述挤出液体硅胶的过程，然后用灯的热量进行固化。LAM是与陶氏化学公司合作开发的，这些基于LAM的3D打印机在收购德国RepRap后现在属于InnovatiQ品牌。
其他方法还包括还原光聚合方法。在此，有机硅与其他光敏树脂混合，可以在处理其他材料的相同3D打印机中使用，就像3D打印机制造商 Carbon 和 Desktop Metal 的情况一样。所有方法生产的零件都可与注塑成型相媲美。
△Desktop Metal 的 3D Bioplotter 使用生物相容且细胞友好的材料进行打印
软件、支持和后处理
用户将需要特殊的切片软件来解释这种独特材料的限制和属性，下文介绍的每个打印机解决方案都提供自定义切片软件。与许多 3D 打印方法一样，复杂的几何形状和悬臂形状需要支撑结构。后处理包括去除支撑材料，通常还需要进行额外的固化以进一步固化有机硅部件。还可以在打印过程中对硅胶部件进行着色。由于硅胶零件在固化后具有良好的表面光洁度，因此通常不需要大量的后处理。
△B9 Creations 的硅胶弹性体模具
硅胶 3D 打印机
目前市场上纯硅胶打印机较少，但如果仅寻找类似硅胶的柔软触感材料进行打印，用户的选择范围将大大增加。
Spectroplast SAM
△图片来自：Spectroplast SAM
Spectroplast 是一家瑞士 3D 打印公司，开发了自己的有机硅增材制造专利。该公司曾利用其技术仅作为按需打印服务运营，于 2022 年 8 月推出了首款可供购买的硅胶 3D 打印机。与其他 3D 打印机不同，Spectroplast 使用“真正的”100% 医疗级 ISO 认证有机硅进行打印，确保了假肢、矫形器、助听器和牙科设备的生物相容性。
其 SAM（有机硅增材制造）3D 打印机采用一种采用 UV 固化有机硅的还原聚合技术，该工艺非常精确，公差约为 0.1 毫米，并且可以进行调整以制造具有从 A20 到 A60 不同肖氏硬度的零件。Spectroplast 提供多种真正的硅胶，包括 TrueSil 系列（仅在按需服务中提供）以及与打印机一起销售的 Madura
InnovatiQ: LiQ 320
△德国公司InnovatiQ的LiQ 320 3D打印机（来源：InnovatiQ）
德国公司InnovatiQ （设备巨头 Arburg 旗下公司）的 LiQ 320 3D 打印机可使用液体硅橡胶打印组件。该公司表示，原型和功能部件的生产质量可与注塑成型相当。将数字文件发送到 3D 打印机后，一层高粘性硅胶材料就会从打印头挤出到打印床上。然后，内置灯产生热量以激活分子水平上液体元素的交联。重复此过程，直到创建所需的零件。打印过程结束后，成品组件立即发挥作用并可供使用，无需任何后处理。
在材料方面，LiQ 320 与 InnovatiQ 的 Silastic 3D 3335 液体硅橡胶 (LSR) 配合使用，这是一种将有机硅弹性体的性能优势与 3D 打印的设计和加工优势相结合的材料。Silastic 3D 3335 具有抗紫外线和臭氧特性，因此特别适用于医疗领域的所有类型的密封件、接头、鞋部件、外壳和其他产品。最小层厚（毫米）：0.22 – 0.9。
Lynxter S300X
△Lynxter S300X 硅胶 3D 打印机
另一家在硅胶领域相对较新的 3D 打印机制造商是法国的 Lynxter。该公司于 2022 年底推出了新型S300X 硅胶按需滴注 3D 打印机。其首款硅胶打印机是 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个小部件，并且更换材料墨盒的次数更少。它具有 300 x 250 x 200 毫米的大打印体积，并且可以生产最小层高为 100 微米的零件。
S300X 采用一系列医疗和工业级有机硅（RTV2 有机硅 5、10、25、40 ShaA、45shA）和聚氨酯（50 至 85 ShA）进行打印，非常适合生产用于后处理（喷漆、该公司表示，这些材料包括打磨、等离子处理等）、阻尼器、密封件、经过皮肤接触认证的矫形器以及具有附加功能的纺织品。
作为一款双挤出机 IDEX 3D 打印机，S300X 配备了用于打印支撑件的单组件工具头和用于打印零件的双组件工具头。这也为在一次打印中组合材料和打印具有不同物理属性的零件铺平了道路。Lynxter 表示 S300X 将于 2023 年上市。
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