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有机硅，也称硅胶，是一种合成橡胶，具有多种吸引人的制造特性。它的化学结构具有惊人的多功能性，可以调整其化学配方以适应各种工业应用，从密封件到接头、可穿戴设备、医疗设备、机器人抓手、炊具、热绝缘和电绝缘等等。
当今大多数有机硅产品都是通过注塑、压塑或浇铸生产的。随着 3D 打印技术的进步，很多人都会问：“3D 打印可以打印硅胶部件吗？”答案是肯定的，但硅胶在3D打印中是一种相对较新的材料，仍有许多问题需要解决。首先，硅胶的粘度非常高，很难用它进行精确的3D打印。它不能像光聚合物材料一样用紫外线加热和挤压或固化。这意味着 3D 打印硅胶需要高度专业化的 3D 打印机，而目前市场上只有少数难以获得的选项。其次，有机硅是一种弹性体，与热塑性塑料不同，它在固化后无法恢复为液态。然而，有许多 3D 打印工艺可以提供具有类硅胶特性的 3D 打印材料，并且 3D 打印还可以用于创建用于成型硅胶零件的模具，将 3D 打印的许多好处带到传统的硅胶制造方法中。
在本期文章中，南极熊解析了近年来在市面上出现的6家硅胶3D 打印厂商案例、3类替代方案以及增材制造如何支持传统硅胶制造工艺。
硅胶 3D 打印工艺和替代解决方案
目前，市面上硅胶 3D 打印机及其替代解决方案可分为三类：
（1) 直接硅胶 3D 打印：市场上有硅胶 3D 打印机，但它们仍远未在商业上可行或可供普通企业使用。 （2) 使用具有类有机硅特性的材料进行3D 打印：常见的聚合物 3D 打印工艺提供了具有类有机硅材料特性的各种材料，可以作为某些应用的替代品。 （3) 使用 3D 打印模具铸造或成型硅胶：使用 3D 打印的快速模具可以弥合使用传统制造方法进行原型制作和大规模生产硅胶零件之间的差距。
直接硅胶3D打印
虽然大多数 3D 打印技术已经存在多年甚至几十年，但由于硅胶打印的复杂性，硅胶 3D 打印机仍然是一个相对较新的实验领域。在过去的几年里，一些公司将硅胶 3D 打印机推向市场，但这些解决方案都有一定的局限性，而且成本过高，这意味着它们并不适合大多数业务和应用。
1、德国瓦克ACEO有机硅按需沉积工艺
直接有机硅 3D 打印的首批解决方案之一是由德国有机硅巨头瓦克化学公司的有机硅3D打印服务—ACEO开发的按需沉积工艺。ACEO平台是专门为打印有机硅弹性体而开发的，使其成为增材制造领域的一项独特技术。瓦克化学是一家拥有70 多年历史的有机硅材料供应商，也是全球很早进入有机硅开发的公司之一。瓦克ACEO®3D打印技术是用于液体硅橡胶组件增材制造的工业级技术。凭借其独特的“按需喷墨”技术，ACEO® 可确保充分的设计自由度，用于打印高功能性部件，同时保持硅橡胶的耐高温性、抗辐射性及生物相容性等优异性能。采用ACEO® 技术打印而成的硅橡胶组件广泛应用于汽车、航空航天、医疗、设备行业以及机械工程等众多关键行业。第一个ACEO开放打印实验室于2017年在德国博格豪森建立。然而，该解决方案未能在市场上找准自己的定位，并于 2021 年停产。
ACEO所开发的硅胶按需沉积工艺包括基于“按需喷墨”打印原理：打印头将有机硅微液滴（体素）逐滴沉积在工作平台上，然后液滴相互融合，形成均质有机硅层。每打印一层有机硅，系统将立刻使用紫外光将整个有机硅层固化。通过使用支撑材料来生产飞檐或孔洞等复杂结构，便能逐层打印出三维物体。打印完成后，将物体从工作平台上移除，并用水将支撑材料冲洗掉即可。随后将物体二次硫化，以便去除挥发物，并实现最终的机械性能。
△外侧为有机硅（蓝色）、内侧为环氧树脂（L型结构）的密封圈。
不过，瓦克化学公司的有机硅3D打印服务—ACEO，已经在2021年底关闭。
2、InnovatiQ液体增材制造(LAM)技术
液体增材制造 (LAM) 是InnovatiQ（以前称为德国 RepRap）开发的另一种有机硅 3D 打印形式，它涉及使用类似于 熔融沉积成型 (FDM) 3D 打印的挤出工艺将液化硅分配到构建平台上，以及然后用紫外光和热的组合固化材料，形成成品。该技术的核心是在热源（卤素灯）的作用下，将该公司的液态硅橡胶（LSR）材料硫化，使其热交联成固态。
据InnovatiQ称，这使该材料能够保持其高性能的机械性能，提供的3D打印部件的特性可与注射成型的硅胶部件媲美。此外，通过LAM打印的部件不需要进行后期处理，这意味着它们从构建室出来就可以直接用于功能应用。然而，使用这种解决方案，设计选项和零件质量受到限制，打印机成本为12万美元。
△LIQ7可以实现像护腕这样的定制医疗设备的全彩3D打印。照片来自InnovatiQ。 △LAM技术制造的成品展示
3、Spectroplast光聚合有机硅增材制造 (SAM) 技术
有机硅 3D 打印机的最新示例是Spectroplast 开发的有机硅增材制造 (SAM) 技术。Spectroplast成立于2017年，开发了一系列与聚合工艺兼容的有机硅，并使用这些材料对外提供3D打印服务，满足客户小批量定制软材料产品的需求。该公司的SAM 工艺类似于立体光刻(SLA)和数字光处理 (DLP) 3D 打印机中已知的大桶光聚合技术。通常，有机硅材料不能光固化，但该公司使用专有工艺使其具有光敏性。这种新兴技术有望提供与其他树脂 3D 打印技术相同的高度设计自由度，起价约为 100,000 美元。
△3D打印硅胶晶格，照片来自Spectroplast
Spectroplast的有机硅材料专为实现某些性能而设计，其肖氏硬度为Shore A0至Shore A80，目前已经覆盖所有颜色包括透明。虽然该公司在材料和工艺方面都拥有版权，但它使用商用3D打印机来提供生产服务。
△Spectroplast开发的有机硅增材制造技术与树脂 3D 打印机的工作原理类似，可将有机硅材料转变为可光固化的材料。
4、法国Lynxter公司的工业/医疗级S300X硅胶 3D 打印机
法国公司Lynxter是少数开展有机硅3D打印业务的公司之一，该公司从推出第一台S600D有机硅3D打印机开始，积累了有机硅3D打印的知识和经验。Lynxter 的持续开发为弹性体 3D 打印带来了新的解决方案——S300X 硅胶 3D 打印机，并为这款机型引入了集成打印支撑技术和新型 SIL001 硅胶材料。通过这一创新，Lynxter希望实现硅胶打印的大众化。
△Lynxter推出的新款S300X硅胶3D打印机
S300X是一款快速成型的3D打印机，采用了集成的打印支持技术和新的SIL001硅胶材料，这款打印机具有3D打印的快速反应能力，现在可以使用工业和医疗级的硅胶和聚氨酯。它通过实现更多的几何自由度集成打印支持技术来做到这一点。作为一个具有开放理念的紧凑、可靠和坚固的工业工具，S300X可用于生产用于后处理（喷漆、打磨、等离子体处理等）的定制遮蔽件、阻尼器、密封件、经认证用于皮肤接触的矫形器和具有附加功能的纺织品。新的S300X机器的推出也与Lynxter自己的材料系列的发布相吻合，包括工业质量的SIL001硅胶。S300X硅胶3D打印机可以打印各种材料，包括通过ISO 10993-05认证的医疗级RTV2硅胶（5、10、25、40 ShA），可与皮肤接触，工业级RTV2硅胶（45shA）和聚氨酯（从50到85ShA）。这些抗老化的有机硅不需要进行繁重的后处理，并拥有与注塑成型相当的机械性能。
5、台湾San Draw流体增材制造（FAM）工艺
San Draw，一家位于中国台湾的原始设备制造商（OEM），专门生产硅胶增材制造平台。San Draw公司成立于2014年，据该公司称，它是第一家将其平台用于商业应用的有机硅3D打印OEM。这并不令人惊讶，考虑到这个相对较小的细分市场，再加上San Draw在2017年为其流体增材制造（FAM）工艺申请了最初的美国专利这一事实。
San Draw公司在2020年发布了工业硅胶3D打印机——S200，这是全球首款能够使用室温硫化（RTV）硅胶和液体硅橡胶（LSR）的打印机S200的公司。这款 3D 打印机的构建体积为 235 x 270 x 150 毫米。 S200主要特点： - 自动校准
- 轻巧的打印头和坚固的底盘
- XY精度：0.36度
- 与 LSR 硅胶（SIL50、SIL70）和其他凝胶状材料兼容
- 生物相容性：SIL50 & SIL70 通过 ISO10993-5 和 ISO10993-10 认证
由于RTV硅酮可用于制造模具和注射成型，而LSR是注射成型的最佳选择，因此从理论上讲，用RTV打印模具，然后再填充LSR是有意义的。此外，该公司最新发布的S300款机型与 San Draw 专有的两部分有机硅兼容，这些有机硅具有生物相容性（ISO 10993认证）、柔韧和耐高温（高达 250℃）
6、Elkem公司的液体硅胶3D打印技术及支撑材料
埃肯有机硅（Elkem Silicones）公司是一家市值约33亿美元的挪威制造商，致力于硅胶3D打印技术及材料的开发。该公司的技术核心在于液态硅胶3D打印，也称为液体沉积成型（LDM），依赖于一个混合喷嘴，它将两种成分混合，形成硅胶，然后固化，是一种基于化学交联完成固化的制造技术。当安装在基于挤压的3D打印机上时，它可以真正实现硅胶3D打印的大众化。与迄今为止在柔性3D打印领域占主导地位的聚氨酯项目不同，LDM部件是由实际的有机硅制成的，因此，可以用于对该材料来说最理想的各种应用。
到目前为止，LDM的问题之一是可能的几何自由度有限。你可以制造任何东西，例如各种形状的生奶油。然而，Elkem公司将改变这一切。该公司发布的AMSil 92100墨水支撑材料可在与硅胶相同的系统上挤出，并为Elkem的AMSil和AMSilbione进行了优化。由于该支撑材料是水溶性的，因此在打印后可以被洗掉。
使用具有类有机硅特性的材料进行 3D 打印
制造商选择有机硅的一些主要原因是这些材料的弹性和柔韧性，可用于广泛的应用。
有机硅的肖氏硬度计通常介于 10A 和80A 之间。常见的聚合物 3D 打印工艺（如 FDM、SLA 和 SLS）可提供此硬度范围内的各种材料，并在硅胶的其他重要材料特性（如耐用性、热稳定性、抗紫外线性、食品安全性、生物相容性以及颜色和半透明选项。
硅胶的 FDM 材料替代品
对于熔融沉积建模，热塑性聚氨酯 (TPU) 和热塑性弹性体 (TPE) 等弹性体是最灵活的材料，可以替代硅胶。这些材料市售的肖氏硬度为 45A 至肖氏 90A，涵盖了硅胶硬度范围的一部分，但最软的材料除外。
与这些替代方案相关的优点是 FDM 3D 打印机和材料的普遍可负担性。相反，缺点包括较低的精度和尺寸精度、较低的分辨率、质量和零件强度，以及有限的设计自由度，这些都限制了现实世界的可用性。类有机硅 FDM 材料通常不如标准有机硅耐用，不安全，耐温性较低，颜色有限，没有真正的半透明选择，但它们可以是生物相容的和皮肤安全的。
硅胶的 SLA 材料替代品
立体光刻 3D 打印因其高精度和广泛的材料选择而受到专业人士的欢迎。SLA 3D 打印提供了多种硅胶替代品，使制造商能够制作类似硅胶的零件原型，甚至制造具有硅胶柔韧性、弹性和耐用性的最终用途零件。与 FDM 相比，SLA 零件提供最光滑的表面光洁度和更高的设计自由度。
硅胶类 SLA 材料通常也比标准硅胶更不耐用，不安全，不生物相容（但可以是皮肤安全的），并且具有较低的耐温性。硅胶类SLA材料可以是半透明的，也可以染成不同的颜色。
△SLA3D 打印为硅胶 3D 打印提供多种替代方案，可用于制作硅胶类零件的原型，甚至制造最终用途零件。
具体材料的可用性取决于打印机型号，但通常在 30A 和 90A 肖氏硬度计硬度范围内。Formlabs 的 SLA 3D 打印材料中硅胶的替代材料包括：
- Elastic 50A Resin是一种柔软的材料，适用于制作通常使用硅胶生产的零件原型。这种 50A 邵氏材料非常适合用于弯曲、拉伸、压缩和承受重复循环而不会撕裂并快速弹回其原始形状的零件。选择 Elastic 50A 树脂用于可穿戴设备（肩带）、可拉伸外壳和外壳、可压缩按钮或医疗保健中的软组织解剖等应用。
- 柔性 80A 树脂是一种坚硬的柔软触感材料，具有 80A 肖氏硬度计，可模拟硬硅树脂以及橡胶或 TPU 的柔韧性。柔韧的 80A 树脂平衡了柔软性和强度，即使经过反复循环，也能承受弯曲、弯曲和压缩。它非常适合原型应用，如手柄、把手、包覆成型、缓冲、阻尼、减震、密封、垫圈和面罩，或医疗保健中的软骨、肌腱和韧带解剖。
- Rebound Resin虽然略高于有机硅材料的硬度范围，但它是一种 86A 肖氏弹性 3D 打印材料，可为最终用途应用提供独特的性能。Rebound Resin 的撕裂强度是市场上其他生产级弹性材料的 5 倍，拉伸强度是其 3 倍，伸长率是其 2 倍，是 3D 打印有弹性的弹性部件的理想选择。Rebound Resin 的高伸长率使其非常适合用于手感和弹性部件，例如手柄和把手。它的强度足以承受持续的压缩或张力，非常适合制造经久耐用的复杂垫圈和密封件。
△采用Rebound Resin打印的 New Balance 鞋已经上市并在世界各地穿着。Rebound 树脂 经受住各种元素的考验，在各种天气条件下经久不衰，性能优于传统材料并经久耐用。
硅胶的 SLS 材料替代品
选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印是工业应用中最常见的增材制造技术。它提供高精度、高吞吐量和几乎无限的设计自由度，因为未熔融的粉末在打印过程中支撑部件，并且无需专用支撑结构。
具有类硅胶性能的 SLS 材料包括TPU、TPE 和 TPA，硬度范围在 肖氏45A 和 90A 之间。确切的可用性取决于打印机型号。
使用类硅胶SLS材料生产的零件精确、耐用、耐磨、耐磨，并且具有三种塑料3D打印工艺中最高的耐温性。它们可以是生物相容的、皮肤安全的，并且在后处理后也是食品安全的。不利的一面是，SLS 打印提供的颜色有限且没有半透明选项，而且薄壁设计在冷却时可能会翘曲。
使用 3D 打印模具铸造或成型硅胶
对于那些希望生产真正的硅胶零件的人来说，3D 打印还可以帮助弥合使用传统制造方法制作原型和大规模生产硅胶零件之间的差距。
注塑成型、热成型、压缩成型和硅胶铸造都使用模具来制造硅胶成品。然而，工具带来了高昂的前期成本和服务提供商长达数周或数月的交货时间，从而减慢了产品开发并延长了将产品推向市场所需的时间。
将内部快速工具整合到产品开发过程中，使企业能够在过渡到大规模生产之前验证设计和材料选择，并提供一种经济实惠的方式来生产定制或有限系列的最终用途零件。
Google 的 ATAP 团队使用 3D 打印的替代品或替代零件，而不是包覆成型的电子子组件，在工厂进行初始工具调整。
Google 先进技术和项目(ATAP)实验室的设计师通过结合使用3D 打印和嵌件成型，能够将成本削减超过 100,000 美元，并将测试周期从三周缩短到三天。Google ATAP 的团队发现，通过 3D 打印测试部件，与使用必须从供应商处运来的昂贵电子部件相比，他们可以节省时间和金钱。
Dame Products是一家位于布鲁克林的初创公司，为健康和保健行业设计产品。他们采用硅胶嵌件成型来封装客户测试原型的内部硬件。Dame Products 产品线包含复杂的人体工程学几何形状，完全封装在一层色彩鲜艳的皮肤安全硅胶中。
△DameProducts 采用硅胶嵌件成型来封装客户测试原型的内部硬件。
硅胶嵌件成型也是制造少量最终用途零件的理想选择。先进的假肢制造商Psyonic使用该工艺为假手制造手指，这些假手具有用硅胶包覆成型的硬 3D 打印核心，而机器人制造商RightHand Robotics使用相同的工艺为机器人制造抓手。
△Psyonic使用硅胶嵌件成型来制造假手的手指。
用于压缩成型的 3D 打印快速工具可用于生产热塑性塑料、硅胶、橡胶和复合材料零件。厨房电器制造商 OXO 的产品开发人员使用 3D 打印通过使用 3D 打印模具压缩成型两部分硅胶来制作橡胶部件（如垫圈）的原型。
△3D 打印是一种快速且廉价的方法来创建用于压缩成型的模具。
铸造也是一种生产用于医疗设备、听力学、食品安全应用等的硅胶和塑料部件的流行方法。医疗器械公司Cosm为患有盆底疾病的患者生产特定于患者的子宫托。他们在 SLA 3D 打印机上 3D 打印模具，然后将生物相容的医疗级硅胶注入其中以制造零件。使用 3D 打印的快速工具使他们能够创建定制零件，而无需传统工具的高成本。
△由硅胶铸造生产的患者专用子宫托。
使用 3D 打印制造定制耳模也彻底改变了听力学领域，适用于助听器、噪音保护和定制耳机等应用。与传统模具生产相比，数字制造提供了更好的控制和准确性，显着减少了错误和重制的数量。
△使用硅胶耳模制作定制耳塞的分步过程。
硅胶铸件也用于娱乐行业。屡获殊荣的实用假肢化妆效果和道具制作公司 DreamsmithStudio 的创始人 Jaco Snyman在科幻系列《狼来了》中使用了多种这些技术。利用Form 3L SLA 3D 打印机的巨大构建体积，Snyman 创建了女演员身体的超逼真硅胶复制品、演员硅胶面具、人体大小的假人等等。
△制作女演员脸部的超逼真硅胶复制品，在 Form 3L 上使用数字设计和 3D 打印的模具。
反之，硅胶材料也可用于制作各种材料成型的模具。
各类硅胶3D 打印工艺和替代方案的比较
| | | SLA 3D打印 | | 使用 3D 打印模具铸造或成型硅胶 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 起价约为 100,000 美元 - 120,000 美元，具体取决于解决方案。 | 预算打印机和 3D 打印机套件起价为几百美元。更高质量的中档桌面打印机起价约为 2,000 美元，工业系统起价为 15,000 美元。 | 专业桌面打印机起价 3,750 美元，大幅面台式打印机起价 11,000 美元。 | 台式工业系统起价 18,500 美元，传统工业打印机起价 100,000 美元。 | 与打印机的 SLA 3D 打印相同。其他成本取决于制造过程。 |
选择正确的硅胶 3D 打印工艺或替代方案
虽然直接硅胶 3D 打印机还不容易获得，但有很多方法可以利用 3D 打印的优势来生产硅胶或类似硅胶的零件。
△SLA3D 打印非常适合制作具有类硅胶特性的零件原型，以及创建用于成型真正硅胶零件的模具。
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