探秘硅胶3D打印：一站式指南和深入了解

导读：通过引入可实现硅胶零件3D打印的创新技术，增材制造领域取得了重大突破。这项新技术引起了3D打印行业的极大兴趣，因为以前无法像聚合物或金属那样通过加热熔化硅胶并逐层沉积。这些新发展，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，以前难以想象的新可能性和机遇正在出现。硅胶3D打印被认为将对该行业产生深远影响，代表了3D技术发展的重要里程碑。根据Precision Business Insight的研究，硅胶3D打印市场预计到2021年将达到159.03亿美元（约合1162亿人民币），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打印公司推动新的有机硅兼容解决方案的推动。

通过本篇文案，南极熊将介绍有机硅以及该材料如何在增材制造中应用。这一研究将有助于深入了解硅胶3D打印技术对未来的影响，特别是在医疗领域和生物材料应用中的潜在益处。

什么是硅胶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，该反应需要催化剂的存在，催化剂可以是酸或碱，其作用是促进硅氧烷官能团之间的键合。因此，由于氧和硅原子之间形成的键，聚合物链表现出显著的流动性。聚硅氧烷具有耐化学性和良好的物理机械性能，这是其主要特点。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。

有机硅以多种形式存在，具体取决于其组分链的大分子结构、尺寸和分布。它可以以硅油和橡胶的形式存在，用作添加剂、润滑剂或液压液；也可以以硅凝胶的形式存在，用于乳房假体或自行车鞍座；最常见的形式是硅胶，用作弹性体。因此，对于3D打印领域而言，硅胶的应用具有重要意义。

△通过压力注射器3D打印硅胶

硅胶3D打印

第一家开发用于3D打印硅胶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，该公司推出了一种类似喷墨打印的工艺，其中硅树脂液滴被涂成一层，然后通过紫外线光源进行固化。这个过程逐层重复，直到最终部件完成。此外，该公司声称使用它的技术生产的零件具有与注塑成型相媲美的各向同性（即在所有方向上均匀）机械性能。虽然ACEO在2021年已不再存在，但早期参与该领域的公司的3D硅胶打印方法仍然在工业、化学、医药和牙科等多个领域得到广泛应用。

△Lynxter S300X硅胶3D打印机

正如之前提到的，与有机硅兼容的3D打印技术之一是光聚合。然而，还有其它增材制造技术可以使用这种类型的材料。在挤出技术的情况下，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，通常使用容积式计量泵来确保高度分配和计量的精度。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。然后，材料通过连接到泵出口的精密喷嘴被施加。

这一过程使得所描述的增材制造工艺类似于挤出技术（FFF/FDM）。然而，所涂敷的材料在从喷嘴出来时并不是固定的，而是以具有一定粘度的流体形式进行自我覆盖。在打印过程期间和之后，交联反应发生，将聚合物连接在一起形成链，并形成一种网络结构，使材料硬化。交联后，部件获得其最终的物理和化学性能。

△有机硅具有生物相容性，使该材料成为医疗应用的理想选择

硅胶3D打印的优点和局限性

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，这意味着它比其它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。这也是由于它的高透明度，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对各种3D打印应用具有吸引力。

关于缺陷方面。首先，在硬件和材料方面的可获得性方面，尽管越来越多的公司正在开发硅胶3D打印技术，但提供这种机器的制造商仍然相对有限，导致成本较高且材料选择受限。另外，目前的3D打印机的打印产能相对较低，尽管可以同时生产多个零件，但尚未为大规模生产做好准备。许多设备使用单个打印头，因此适用于创建简单的平面模型，而不需要复杂模型的支撑结构。不过，近年来这一情况有所改善，更多的双头IDEX解决方案也可以生产支撑结构。最后，硅胶零件的后处理也存在一些局限性，因为有机硅通常需要更长的固化过程，从而增加了整体生产时间。

△由硅胶制成的3D打印物体

应用和制造

硅胶3D打印技术非常适合中小批量生产、原型制作和创建那些传统方法难以实现的独特形状。医疗行业是其中受益最多的行业之一。硅胶3D打印在医疗领域用于制造定制的植入物、假肢和医疗模型，因为硅胶具有人体组织的触感，使其成为外科手术的理想选择。此外，生物医学研究领域也广泛使用硅胶3D打印，将其用作组织工程的支架，用于创建研究和实验的细胞生长结构。

另一个硅胶3D打印的应用领域是软机器人，该材料特别适合制造软机器人部件，如可抓取和处理精细物体的夹具。由于其特性，硅胶3D打印也被研究用作柔性和弹性电子产品的材料。此外，消费品行业也在使用硅胶3D打印，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。

如需了解更多关于硅胶3D打印机的信息，请参阅南极熊的往期文章。

硅胶3D打印的应用、优势、材料以及打印机