助力德国铁路顺畅运行 3D打印解锁有机硅材料新应用

德国铁路的日常维护是令工程师非常头疼的事情。长达100多年的铁路历史使得行驶在德国铁路网的列车多达100余种，种类繁多的零配件成为维修部门的沉重负担。然而，由于种种原因，部分零配件已经停产，配件供应链出现了严重断裂。为了解决配件供应的难题，德国铁路股份公司想到了3D打印技术。

采用ACEO® 3D打印工艺制造的硅橡胶膜片

3D打印技术具备诸多传统注塑无可比拟的优势，它无需使用任何工具或模具，便可直接将数字模型转换为实物，可以大幅缩短工艺周期，从而降低生产成本，尤其适用于建模或小批量生产。

2015年，德国铁路股份公司推出了覆盖全公司的3D打印项目， 其中一项用于安装在列车制动器控制阀内的膜片，厚度只有4毫米，对材料的强度和柔韧性要求非常高。在反复的市场筛选过程中，德国铁路公司选中了瓦克的品牌ACEO®，他们的有机硅材料和3D打印技术非常符合膜片制品的要求。

ACEO® 的有机硅材料何以得到要求严苛的德国铁路股份公司的青睐？有机硅又是如何跟3D打印发生关系的？

有机硅学名叫聚二甲基硅氧烷，是一类主链由硅氧原子交替而成的聚合物的总称。据瓦克化学高级技术经理柳丽君介绍，“有机硅材料源自大自然的硅矿（砂石），与大多数源于原油的合成橡胶相比，有机硅的硅-氧链结构相比碳-碳链具有更高的键能， 能耐受更高的温度及UV辐射等环境老化。其自由旋转的侧链结构更可使这种材料在低至-50摄氏度环境中仍然保持柔软的特性。此外，由于配方中没有添加任何增塑剂，有机硅材料具有良好的食品安全性及生物相容性，可以广泛应用于食品接触或医疗器械等，这也是很多合成橡胶所无法比拟的。“

有机硅的卓越性能是得到德国铁路股份公司认可的很重要的前提。当然，这还跟瓦克化学在有机硅3D打印的提前布局密不可分。

打造全球首家3D打印弹性体服务网络商店
3D打印技术与有机硅材料结合，使得许多传统注塑无法满足的需求得以实现，比如在交通运输或机械设备等工业领域以及医疗领域，快速建模、产品小批量生产以及按需生产备件都非常重要。

基于这样的市场需求，瓦克化学在2016德国国际橡塑展上展出推出了全球首台可工业用的有机硅3D打印机，同时开创了一种新的商业模式——为所有涉及弹性体的3D打印服务创立了ACEO®品牌，因此，瓦克化学成为全球第一家通过3D打印工业化生产弹性体的公司。

为了促进3D打印技术发展，瓦克在博格豪森生产基地附近兴建了一个面积为700平方米的增材制造技术中心。“与严谨著称的瓦克传统业务不同的是，ACEO®团队氛围非常开放。”柳丽君称。

ACEO®的销售模式与瓦克传统业务也有很大区别。柳丽君指出， “ACEO®的3D打印不会单独出售材料、设备或者软件，我们提供的是定制化解决方案。”

ACEO®3D打印服务的销售模式主要是通过网络商店，用户可以通过跟德国方面的客服人员取得联系，将设计图纸上传到客服服务端，由专门的开发工程师去审核用户的开发需求，评估方案可行性。筛选通过后，开发工程师根据设计图纸打印出产品，并最终把制品以及设计方案交付给用户，设计方案的所有权为用户本人。

除了这种基于网店的数字商业模式之外，瓦克还推出了“开放打印实验室”，客户可以在该实验室现场接受个人培训，这在业内尚属首创。

助力自动化革命
位于博格豪森的瓦克ACEO®园区一片寂静，只听见复印机大小的盒子发出的嗡嗡声。这个嗡嗡作响的盒子便是瓦克工程师开发的全球第一台工业级有机硅3D打印机。

自诞生以来，它成功地把许多聪明的想法变成了有形的物体，德国不伦瑞克的Formhand公司开发的机器人手爪就是其中之一。该弹性夹具由有机硅制成，并采用了瓦克ACEO®3D技术。

这个不起眼的部件仅一个拇指大小，形状像圆柱形容器：顶部闭合，底部开口，内部中空。然而，尽管看起来平淡无奇，它却是相关人员多年努力工作、勇于坚持、且精雕细琢的成果。

据该项技术发明人Holger Kunz回忆道，“那天晚上，我和创业伙伴Christian Löchte提到了这个在当时尚未得到解决的问题：如何开发一个能够抓起极薄材料的机器人手爪。” 这项技术可用于抓取任何需要移动的物体，可以为公司节省大量用于改造自动控制装置的时间和成本。决心将想法付诸实践后， Kunz来到了瓦克，希望拓展产品的应用领域。他的U盘里装着蓝色硅帽的电子版设计图纸，这是一张尺寸很小的新款吸附垫的草图。开发这种新形状的目的，是为了使真空手爪能够抓住八种跟乒乓球大小相仿的物体，并将其移动到另一个位置。

在ACEO®团队帮助下，Kunz的构想得以成为现实。“在这里，我们可以看到3D打印在实践中的另一项优势，即原型制造。3D打印工艺能够帮助业余爱好者和像Formhand这样的初创公司快速生产独一无二的部件，最重要的是，成本也比较低。”ACEO®机械工程师Seitz表示。

拓展医学领域应用
除了工业方面的应用拓展，有机硅良好的生物相容性与3D打印技术定制化特征的结合，还帮助瓦克化学拓宽了医疗领域的应用市场。

据柳丽君介绍，定制化解剖模型在当今的医疗应用中具有显著优势。它们在临床训练、手术计划可视性和模拟性、病情告知以及医疗器械开发过程中的模拟环节均大有用武之地，还可用作精密假肢的定制模型。

ACEO®医用解剖模型

有机硅弹性体具有出色的柔韧性与弹性，并且可以切开和缝合，尤其适用于复制血管、心脏、肌肉或皮肤等柔软的组织，而ACEO®基于有机硅弹性体的“按需喷墨”技术可用于打印结构复杂的三维解剖模型，二者的结合，使得模拟生物力学的逼真度达到前所未有的水平。

3D打印有机硅解剖模型在临床应用、大学及研究机构中扮演着越来越重要的角色。

据ACEO®全球市场总监Egbert Klaassen介绍：“采用真正的有机硅弹性体打印而成的解剖模型展现了解剖模型所能达到的极致逼真度。瓦克与多家大学、诊所和研究机构的专家共同开发了一个包括血管、主动脉弓、主动脉瓣和三尖瓣模型在内的基础产品系列，并计划在大众市场上推广。”

据了解，由瓦克与埃尔朗根-纽伦堡大学合作开发的系列模型目前已正式上市。

负责ACEO®中国市场的柳丽君表示，“目前中国医疗市场具有很大潜力，但中国用户对有机硅材料的认知度较低，市场仍有待拓展。”

目前，ACEO®团队正致力于开拓中国医疗市场，其有机硅3D设备在刚结束不久的中国国际进口博览会首次离开德国本土登台亮相，吸引了大批行业人士关注。“相信随着医疗行业对于有机硅弹性体材料的认识逐渐深入，有机硅橡胶在医疗行业的应用领域会变得越来越广泛。”柳丽君说。

来源：新材料在线