硅胶3D打印的应用、优势、材料以及打印机

       当今的大多数硅胶密封件、接头、可穿戴技术、机器人夹具等都是通过注射或压缩成型制成的。这个过程需要一个模型，使用该模型制作模具，然后将硅胶注入模具中，整个步骤较为繁琐。3D打印硅胶技术完全消除了模型和模具制造步骤，只需打印最终部件即可。这显然节省了大量成本和时间，根据 3D 打印机制造商3D Systems 的说法，3D打印硅胶直接成型比注塑成型快 90%。


△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。

B9 Creations Core 5 Series Med XL


△B9 Creations 的 Core 5  Series Med XL 树脂 DLP 3D 打印机可以使用医用级硅胶进行新打印

3D 打印机和材料制造商 B9 Creations 于 2022 年 1 月推出了 BioRes 硅胶（每 1 公斤瓶 345 美元），用于该公司的 B9 Core 5 系列 Med XL 405 和 385 3D 打印机。这些材料具有高表面光洁度、抗裂性和精度，还通过了 ISO 90993 认证，可与皮肤长时间接触长达 30 天。BioRes 适用于大多数其他基于光聚合物树脂的 3D 打印机平台。

B9 Core 5 Series Med XL 385（配备 385 纳米光引擎）是一款基于树脂的 DLP 机器，使客户能够以 25 微米有效分辨率 3D 打印半透明、白色和特种材料，例如硅胶。它拥有 IEC 60601-1 和 IEC 60601-1-2 医疗设备合规性和 CE 认证。

Delta Tower Fluid MT


△Delta Tower Fluid MT 可以使用按需滴注 3D 打印技术沉积双组分有机硅

来自瑞士初创公司Delta Tower的 Fluid MT 和 Fluid ST是多工具和单工具 3D 打印机，配有精密体积计量系统，适用于粘性、一种或两种成分的流体和糊剂，例如硅胶。该公司表示，流体打印机采用按需滴注技术，最小挤出量为 0.0208 µl，能够在不变形的情况下使用流体材料进行构建。MT 多工具版本在一次打印过程中最多可以使用 6 个工具。

该公司与Elkem Silicones合作，后者刚刚推出了一种用于硅 3D 打印的新型支撑材料 AMSil 92100，材料是水溶性的，可以在后处理阶段被洗掉。Elkem提供从 ShaA 10 到 ShaA 70 的 100% 有机硅，可与多种类型的基于 DOD 的 3D 打印系统配合使用。除了在医疗和工业应用中使用之外，现在还允许在食品级应用中使用。


Prayasta Silimac P250


△用于有机硅弹性体的 Prayasta Silimac P250 3D 打印机

印度初创公司Prayasta于 2023 年推出了 Silimac P250 硅胶 3D 打印机，专门针对植入级硅胶，用于制造个性化软组织植入物和假肢。Prayasta 表示，Silimac P250 具有 250 x 250 x 250 毫米的构建室，是一款可立即投入生产的机器，可以管理大批量硅胶零件的生产。该公司表示，该打印机包括用于打印室的内置紫外线消毒装置和无污染的支撑系统，可促进植入物 3D 打印的理想卫生状况。打印分辨率为 50 微米，材料包括 NuSil 等公司的有机硅弹性体。

Desktop Health： EnvisionTec Bioplotter


△Desktop Health EnvisionTec Bioplotter

医疗行业特别感兴趣的是，美国公司 Desktop Health（Desktop Metal 的一个部门）提供了一种生物打印机，该打印机也可以使用两种硅胶进行打印。3D-Bioplotter于 2000 年推出，具有三个功能级别：入门级、开发级和制造商级。它使用注射器的空气或机械压力来处理开源生物材料和硅胶。硅胶通过针尖从材料盒中分配出来，形成 3D 物体，然后用紫外线固化。所有型号均设计用于无菌生物安全柜，符合临床试验标准，并提供高达 192.4 立方英寸的构建尺寸。

3D-Bioplotters 使用户可以通过软件完全控制所有打印参数（温度、压力、速度等）。除了热塑性塑料和纤维素材料外，3D-Bioplotter 还可以使用 3D-Bioplotter Silicone TG（一种可 3D 打印中等硬度物体的技术级硅胶）和 3D-Bioplotter UV Silicone 60A MG（一种可 3D 打印的医疗级硅胶）进行打印。Desktop Health 在 2021 年收购了 3D-Bioplotter 的发明者 EnvisionTEC 的同时，也收购了 3D-Bioplotter。

Formlabs


△Formlabs 新型 Silicone 40A Resin 与其 Form 3+ 树脂 3D 打印机兼容

打印机制造商 Formlabs 于 2023 年 9 月推出了硅胶材料Silicone 40A Resin。Formlabs 正在申请一项关于“纯硅胶技术”的专利，该技术依赖于 Formlabs 的标准立体光刻 (SLA) 生态系统，可在几小时内在内部“生产 100% 硅胶部件”。目前尚未公布有关新技术的详细信息，但该硅树脂产品与 Formlabs Form 3+ 打印机兼容。

硅胶 40A 树脂部件具有 40A 肖氏硬度、230% 断裂伸长率。采用有机硅 40A 树脂制成的零件具有 34% 的回弹性、耐化学性和耐热性（-25°C 至 125°C），并且可以具有小至 0.3 毫米的精细特征和传统制造难以实现的复杂形状方法。Silicone 40A 树脂的生物相容性仍在评估中。


San Draw S053 & S300


△San Draw 的硅胶 3D 打印机

台湾的San Draw提供两款硅胶 3D 打印机：S053（7,000 美元）和更大的 S300。这些机器采用 San Draw 专有的两部分有机硅的按需滴注技术，该技术具有生物相容性（通过 ISO 10993 认证）、柔韧且耐高温（高达 250℃）。

S02 53 的构建体积为 200 x 150 x 100 毫米，与第三方材料兼容，包括水凝胶、陶瓷凝胶、食品凝胶等。S300是另一款两部分硅胶打印机，也可以同时使用水溶性支撑材料进行打印，因此它适用于自由表面和薄壁零件。该公司表示，其专注于医疗应用，包括医疗训练器、模拟器、手术训练器、术前模拟模型和医疗设备。

Carbon3D


△图片来源：Carbon3D

知名 3D 打印机制造商 Carbon 配制了在其还原聚合平台上使用的所有材料。该公司的有机硅材料 SIL 30 是一种柔软、生物相容且抗撕裂的有机硅聚氨酯弹性体，非常适合皮肤接触应用。SIL 30 的确切成分尚未公布，但其技术数据表涵盖了其机械性能和化学相容性。SIL 30 仅适用于 Carbon 的树脂 3D 打印机，该打印机使用该公司称为数字光合成 (DLS) 的技术，这是一种桶聚合技术。

Siliprin


△图片：Siliprin

Siliprin是一家初创 3D 打印机公司，由 Osman Doğan Yirmibeşoğlu 于 2020 年在俄勒冈州立大学担任研究员时创立。该打印机可以使用介于按需滴注和挤出之间的技术制造两部分软硅胶组件。该打印机具有较大的打印体积（400 毫米 x 400 毫米 x 250 毫米）、开放式材料容量以及可提供 18 小时打印时间的嵌入式泵系统。可在打印过程中更换可更换墨盒，而不会中断打印作业。

硅胶打印服务
Spectroplast不仅是一家 3D 打印机制造商，也是一家按需服务公司。该公司已经打印了近一百万个硅胶零件，其核心业务是硅胶即服务。所有零件均在 Spectroplast 位于瑞士的生产工厂生产，并运往世界各地，该公司计划在未来几年在美国开设一家工厂。美国服务提供商 Protolabs 最近宣布与 Spectroplast 建立 3D 打印客户零件合作伙伴关系。

挪威有机硅材料制造商Elkem也提供有机硅 3D 打印服务。Elkem开发了一种基于挤出原理的生产工艺，称为液体沉积成型 (LDM)，使用一系列新的定制有机硅材料：AMSil 系列。用户可以使用 100% 有机硅设计具有复杂几何形状和悬伸的高性能零件，这是使用传统模具和机械加工无法实现的，通过直接打印来创建弹性体零件或物体。

3D Alchemy是一家总部位于英国的增材制造服务公司，提供“100% 纯 LSR 硅胶”，并获得 3D 打印 ISO 认证，该公司的硅胶3D打印工艺允许使用单独的可溶支撑材料来实现复杂的几何形状，然后在构建后将其洗掉。

3D 打印市场Craftcloud提供 Keyance 的硅橡胶材料，用于 3D 打印薄壁但灵活的模型，由于采用了水溶性支撑材料，该模型在后处理过程中不会破裂。


△Lynxter 3D 打印的面罩、塞子和各种硅胶盖