硅胶3D打印教科书指南，国内厂商能否强势出击重返市场

来源： TCT亚洲视角

硅胶3D打印此前无法像聚合物或金属那样用热熔化并逐层沉积，但现在这个问题已经有了解决方案，尤其是在医疗和医用生物材料领域的发展，硅胶3D打印有助于改善患者现有的治疗效果。

据Precision Business Insight的一项研究表明，硅胶3D打印市场预计到2028年将以19.9%的复合年增长率增长。本篇中，TCT小编也将详细介绍有机硅以及该材料在增材制造中的应用。

1、什么时硅胶
聚硅氧烷，俗称硅胶，是一种由硅氧烷（由硅原子和氧原子组成的分子）聚合而成的无机聚合物。就聚硅氧烷而言，聚合是通过硅氧烷的缩合反应进行的。这种转变是在催化剂（酸或碱）的作用下发生的，其作用是促进硅氧烷官能团之间形成键合。由于氧原子和硅原子之间形成了键，聚合物链因此表现出显著的流动性。这类聚合物的主要特点是耐化学性以及物理和机械性能。聚硅氧烷和有机硅是指同一种材料，前者是技术术语，而后者在商业和日常生活环境中更为常用。

有机硅的状态多种多样，取决于其大分子结构、大小及其成分链的分布。它的形态有硅油和硅橡胶（用作添加剂、润滑剂或液压油）、硅凝胶（用于义乳或自行车座垫）以及弹性体。后者是当今最常用的硅胶。

第一家开发出用于硅胶3D打印系统的公司源于德国化工巨头瓦克化学股份公司旗下的 ACEO公司。在2016年，该公司推出了一种类似喷墨打印的工艺（硅胶液滴被涂抹成一层，然后用紫外线光源固化；这一过程逐层重复，直到最终部件制作完成），其技术生产的零件具有各向同性（即在所有方向上均匀一致）的机械性能，可与注塑成型相媲美。目前ACEO已于2021年底关闭，但这家公司早期采用的硅胶3D打印技术仍受到工业产品、化工、医药和牙科等多个领域的青睐。

△通过压力注射器进行硅胶3D打印

如前所述，与有机硅兼容的3D打印技术之一是光聚合。不过，也有其他增材制造技术可与此类材料配合使用。在挤压技术而言，有机硅需要特定的硬件特性。首先，材料必须包装在带有柱塞的可连接注射器中。压头通常配有容积计量泵，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，并输送和计量要印刷的材料量。材料通过连接到泵出口的精密喷嘴进行喷涂。

因此，所述的增材制造工艺类似于挤压技术（FFF/FDM）。不过，从喷嘴喷出的材料并不是固定不变的，而是经过调配的打印液，具有一定的粘度，可以自行叠加。在打印过程中和打印结束后，会发生交联反应（聚合物结合在一起形成链，形成一种网络），使已经成型的材料变硬。交联后，部件获得最终的物理和化学特性。

硅胶3D打印的优势和局限性
硅胶3D打印主要优点之一是可以制作出具有高度灵活性和耐久性的3D模型，这意味着它可以承受比其他材料更高的载荷和压力，同时由于其柔韧性而节省空间，不会影响其机械性能。硅胶还能抵抗极端的温度和辐射波动，使部件比玻璃或类似材料更不易受到此类影响。因硅胶具有的高透明度，非常适合需要视觉检查的模型，且其兼具导电、绝缘和生物相容性等特性，因此在各种3D打印应用中都很有吸引力。

硅胶3D打印的缺点之一是硬件和材料的可及性。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。在成本较高，且材料选择有限的情况下，设备虽然可以同时生产多个部件，但还不能满足大批量生产的要求。许多设备使用单个打印头，因此只能创建简单的平面模型，无法为复杂模型提供支持结构。

不过，近年来这种情况已经发生了变化，现有更多的双喷头IDEX解决方案也可以制作支撑结构。但部件的后处理也是该技术的局限性之一，由于硅树脂一般需要较长的固化过程，导致了整体生产时间变久。

应用和制造商
硅胶3D打印技术非常适合中小批量生产和原型设计，以及制造出创造传统无法想象的独特形状。从这项技术中受益最大的部门之一是医疗行业，硅胶3D打印用于生产为每位患者定制的植入物、假体和医疗模型。硅胶的触感与人体组织相似，使它成为外科手术的理想材料。生物医学研究也在利用这种3D打印硅胶，将其用作组织工程支架，为研究和实验创造细胞生长结构。

Elkem埃肯有机硅就是市场上最知名的企业之一，该公司致力于为先进制造业开发有机硅。埃肯有机硅的AMSIL™ SILBIONE™ 系列可结合3D打印帮助医护人员提供个性化治疗，应用于解剖模型、手术方案制定、定制化假肢和可穿戴设备等，成为未来患者专用医疗中越来越重要的一部分，大幅提升患者的生命价值。

Formlabs在2023年TCT亚洲展现场全球率先首发了两款新材料，其中新发布的硅胶树脂Silicone 40A是一款100%纯硅胶的光固化打印材料。这是市面上首款搭载待批专利纯硅胶技术™ (Pure Silicone Technology™) 的纯硅胶3D打印材料，它融合了铸造硅胶的优异材料特性与3D打印的优势。

Silicone 40A Resin 部件具有 40A 邵氏硬度、230% 的断裂伸长率和 12kN/m 的抗撕裂强度，非常适合有极高柔韧性和耐用性要求的应用，即使在反复拉伸、弯曲或压缩的情况下也能保持良好的性能。Silicone 40A Resin 部件还具有 34% 的回弹弹性，优异的耐化学腐蚀性和耐高温性（-25°C 至 125°C），并且可以实现最小分辨率为 0.3mm 的精细特征和复杂形状，这些特征在传统制造方法中难以实现。

四川大学高分子研究所通过云尚智造购买的硅胶3D打印机正式通过安装测试，这是国内首台硅胶3D打印机，将用于教学应用、科学研究等方向。云尚智造负责全程运输、安装、测试、培训等一系列协调工作及全程跟踪服务，四川大学也成为国内第一家拥有硅胶3D打印机的高等院校。

硅胶前途广阔，目前可以用作阻尼减振材料、隔音隔热材料、精密包装材料，在航天航空、汽车、先进武器、电子工业等方面大显身手。食品级硅胶制品、医疗级硅胶制品、建筑密封胶、隐形眼镜、服装和消费产品层出不穷，它也必将成为3D打印重要的应用点。