硅膠3D打印教科書指南，國內廠商能否強勢出擊重返市場
時間：2023-11-14 13:47 來源：TCT亞洲視角 作者：admin 閱讀：次
硅膠3D打印此前無法像聚合物或金屬那樣用熱熔化并逐層沉積，但現在這個問題已經有了解決方案，尤其是在醫療和醫用生物材料領域的發展，硅膠3D打印有助于改善患者現有的治療效果。據Precision Business Insight的一項研究表明，硅膠3D打印市場預計到2028年將以19.9%的復合年增長率增長。本篇中，TCT小編也將詳細介紹有機硅以及該材料在增材制造中的應用。
1、什么時硅膠
聚硅氧烷，俗稱硅膠，是一種由硅氧烷（由硅原子和氧原子組成的分子）聚合而成的無機聚合物。就聚硅氧烷而言，聚合是通過硅氧烷的縮合反應進行的。這種轉變是在催化劑（酸或堿）的作用下發生的，其作用是促進硅氧烷官能團之間形成鍵合。由于氧原子和硅原子之間形成了鍵，聚合物鏈因此表現出顯著的流動性。這類聚合物的主要特點是耐化學性以及物理和機械性能。聚硅氧烷和有機硅是指同一種材料，前者是技術術語，而后者在商業和日常生活環境中更為常用。
有機硅的狀態多種多樣，取決于其大分子結構、大小及其成分鏈的分布。它的形態有硅油和硅橡膠（用作添加劑、潤滑劑或液壓油）、硅凝膠（用于義乳或自行車座墊）以及彈性體。后者是當今最常用的硅膠。第一家開發出用于硅膠3D打印系統的公司源于德國化工巨頭瓦克化學股份公司旗下的 ACEO公司。在2016年，該公司推出了一種類似噴墨打印的工藝（硅膠液滴被涂抹成一層，然后用紫外線光源固化；這一過程逐層重復，直到最終部件制作完成），其技術生產的零件具有各向同性（即在所有方向上均勻一致）的機械性能，可與注塑成型相媲美。目前ACEO已于2021年底關閉，但這家公司早期采用的硅膠3D打印技術仍受到工業產品、化工、醫藥和牙科等多個領域的青睞。
如前所述，與有機硅兼容的3D打印技術之一是光聚合。不過，也有其他增材制造技術可與此類材料配合使用。在擠壓技術而言，有機硅需要特定的硬件特性。首先，材料必須包裝在帶有柱塞的可連接注射器中。壓頭通常配有容積計量泵，以確保高分配和計量精度。這些泵通過壓力注射器提供原材料，并輸送和計量要印刷的材料量。材料通過連接到泵出口的精密噴嘴進行噴涂。
因此，所述的增材制造工藝類似于擠壓技術（FFF/FDM）。不過，從噴嘴噴出的材料并不是固定不變的，而是經過調配的打印液，具有一定的粘度，可以自行疊加。在打印過程中和打印結束后，會發生交聯反應（聚合物結合在一起形成鏈，形成一種網絡），使已經成型的材料變硬。交聯后，部件獲得最終的物理和化學特性。
硅膠3D打印的優勢和局限性
硅膠3D打印主要優點之一是可以制作出具有高度靈活性和耐久性的3D模型，這意味著它可以承受比其他材料更高的載荷和壓力，同時由于其柔韌性而節省空間，不會影響其機械性能。硅膠還能抵抗極端的溫度和輻射波動，使部件比玻璃或類似材料更不易受到此類影響。因硅膠具有的高透明度，非常適合需要視覺檢查的模型，且其兼具導電、絕緣和生物相容性等特性，因此在各種3D打印應用中都很有吸引力。
硅膠3D打印的缺點之一是硬件和材料的可及性。盡管越來越多的公司正在開發硅膠3D打印的技術解決方案，但提供此類機器的制造商仍然很少。在成本較高，且材料選擇有限的情況下，設備雖然可以同時生產多個部件，但還不能滿足大批量生產的要求。許多設備使用單個打印頭，因此只能創建簡單的平面模型，無法為復雜模型提供支持結構。
不過，近年來這種情況已經發生了變化，現有更多的雙噴頭IDEX解決方案也可以制作支撐結構。但部件的后處理也是該技術的局限性之一，由于硅樹脂一般需要較長的固化過程，導致了整體生產時間變久。
應用和制造商
硅膠3D打印技術非常適合中小批量生產和原型設計，以及制造出創造傳統無法想象的獨特形狀。從這項技術中受益最大的部門之一是醫療行業，硅膠3D打印用于生產為每位患者定制的植入物、假體和醫療模型。硅膠的觸感與人體組織相似，使它成為外科手術的理想材料。生物醫學研究也在利用這種3D打印硅膠，將其用作組織工程支架，為研究和實驗創造細胞生長結構。
Elkem埃肯有機硅就是市場上最知名的企業之一，該公司致力于為先進制造業開發有機硅。埃肯有機硅的AMSIL™ SILBIONE™ 系列可結合3D打印幫助醫護人員提供個性化治療，應用于解剖模型、手術方案制定、定制化假肢和可穿戴設備等，成為未來患者專用醫療中越來越重要的一部分，大幅提升患者的生命價值。
Formlabs在2023年TCT亞洲展現場全球率先首發了兩款新材料，其中新發布的硅膠樹脂Silicone 40A是一款100%純硅膠的光固化打印材料。這是市面上首款搭載待批專利純硅膠技術™ (Pure Silicone Technology™) 的純硅膠3D打印材料，它融合了鑄造硅膠的優異材料特性與3D打印的優勢。
Silicone 40A Resin 部件具有 40A 邵氏硬度、230% 的斷裂伸長率和 12kN/m 的抗撕裂強度，非常適合有極高柔韌性和耐用性要求的應用，即使在反復拉伸、彎曲或壓縮的情況下也能保持良好的性能。Silicone 40A Resin 部件還具有 34% 的回彈彈性，優異的耐化學腐蝕性和耐高溫性（-25°C 至 125°C），并且可以實現最小分辨率為 0.3mm 的精細特征和復雜形狀，這些特征在傳統制造方法中難以實現。
四川大學高分子研究所通過云尚智造購買的硅膠3D打印機正式通過安裝測試，這是國內首臺硅膠3D打印機，將用于教學應用、科學研究等方向。云尚智造負責全程運輸、安裝、測試、培訓等一系列協調工作及全程跟蹤服務，四川大學也成為國內第一家擁有硅膠3D打印機的高等院校。
硅膠前途廣闊，目前可以用作阻尼減振材料、隔音隔熱材料、精密包裝材料，在航天航空、汽車、先進武器、電子工業等方面大顯身手。食品級硅膠制品、醫療級硅膠制品、建筑密封膠、隱形眼鏡、服裝和消費產品層出不窮，它也必將成為3D打印重要的應用點。
1、什么時硅膠
聚硅氧烷，俗稱硅膠，是一種由硅氧烷（由硅原子和氧原子組成的分子）聚合而成的無機聚合物。就聚硅氧烷而言，聚合是通過硅氧烷的縮合反應進行的。這種轉變是在催化劑（酸或堿）的作用下發生的，其作用是促進硅氧烷官能團之間形成鍵合。由于氧原子和硅原子之間形成了鍵，聚合物鏈因此表現出顯著的流動性。這類聚合物的主要特點是耐化學性以及物理和機械性能。聚硅氧烷和有機硅是指同一種材料，前者是技術術語，而后者在商業和日常生活環境中更為常用。
有機硅的狀態多種多樣，取決于其大分子結構、大小及其成分鏈的分布。它的形態有硅油和硅橡膠（用作添加劑、潤滑劑或液壓油）、硅凝膠（用于義乳或自行車座墊）以及彈性體。后者是當今最常用的硅膠。第一家開發出用于硅膠3D打印系統的公司源于德國化工巨頭瓦克化學股份公司旗下的 ACEO公司。在2016年，該公司推出了一種類似噴墨打印的工藝（硅膠液滴被涂抹成一層，然后用紫外線光源固化；這一過程逐層重復，直到最終部件制作完成），其技術生產的零件具有各向同性（即在所有方向上均勻一致）的機械性能，可與注塑成型相媲美。目前ACEO已于2021年底關閉，但這家公司早期采用的硅膠3D打印技術仍受到工業產品、化工、醫藥和牙科等多個領域的青睞。
△通過壓力注射器進行硅膠3D打印
如前所述，與有機硅兼容的3D打印技術之一是光聚合。不過，也有其他增材制造技術可與此類材料配合使用。在擠壓技術而言，有機硅需要特定的硬件特性。首先，材料必須包裝在帶有柱塞的可連接注射器中。壓頭通常配有容積計量泵，以確保高分配和計量精度。這些泵通過壓力注射器提供原材料，并輸送和計量要印刷的材料量。材料通過連接到泵出口的精密噴嘴進行噴涂。
因此，所述的增材制造工藝類似于擠壓技術（FFF/FDM）。不過，從噴嘴噴出的材料并不是固定不變的，而是經過調配的打印液，具有一定的粘度，可以自行疊加。在打印過程中和打印結束后，會發生交聯反應（聚合物結合在一起形成鏈，形成一種網絡），使已經成型的材料變硬。交聯后，部件獲得最終的物理和化學特性。
硅膠3D打印的優勢和局限性
硅膠3D打印主要優點之一是可以制作出具有高度靈活性和耐久性的3D模型，這意味著它可以承受比其他材料更高的載荷和壓力，同時由于其柔韌性而節省空間，不會影響其機械性能。硅膠還能抵抗極端的溫度和輻射波動，使部件比玻璃或類似材料更不易受到此類影響。因硅膠具有的高透明度，非常適合需要視覺檢查的模型，且其兼具導電、絕緣和生物相容性等特性，因此在各種3D打印應用中都很有吸引力。
硅膠3D打印的缺點之一是硬件和材料的可及性。盡管越來越多的公司正在開發硅膠3D打印的技術解決方案，但提供此類機器的制造商仍然很少。在成本較高，且材料選擇有限的情況下，設備雖然可以同時生產多個部件，但還不能滿足大批量生產的要求。許多設備使用單個打印頭，因此只能創建簡單的平面模型，無法為復雜模型提供支持結構。
不過，近年來這種情況已經發生了變化，現有更多的雙噴頭IDEX解決方案也可以制作支撐結構。但部件的后處理也是該技術的局限性之一，由于硅樹脂一般需要較長的固化過程，導致了整體生產時間變久。
應用和制造商
硅膠3D打印技術非常適合中小批量生產和原型設計，以及制造出創造傳統無法想象的獨特形狀。從這項技術中受益最大的部門之一是醫療行業，硅膠3D打印用于生產為每位患者定制的植入物、假體和醫療模型。硅膠的觸感與人體組織相似，使它成為外科手術的理想材料。生物醫學研究也在利用這種3D打印硅膠，將其用作組織工程支架，為研究和實驗創造細胞生長結構。
Elkem埃肯有機硅就是市場上最知名的企業之一，該公司致力于為先進制造業開發有機硅。埃肯有機硅的AMSIL™ SILBIONE™ 系列可結合3D打印幫助醫護人員提供個性化治療，應用于解剖模型、手術方案制定、定制化假肢和可穿戴設備等，成為未來患者專用醫療中越來越重要的一部分，大幅提升患者的生命價值。
Formlabs在2023年TCT亞洲展現場全球率先首發了兩款新材料，其中新發布的硅膠樹脂Silicone 40A是一款100%純硅膠的光固化打印材料。這是市面上首款搭載待批專利純硅膠技術™ (Pure Silicone Technology™) 的純硅膠3D打印材料，它融合了鑄造硅膠的優異材料特性與3D打印的優勢。
Silicone 40A Resin 部件具有 40A 邵氏硬度、230% 的斷裂伸長率和 12kN/m 的抗撕裂強度，非常適合有極高柔韌性和耐用性要求的應用，即使在反復拉伸、彎曲或壓縮的情況下也能保持良好的性能。Silicone 40A Resin 部件還具有 34% 的回彈彈性，優異的耐化學腐蝕性和耐高溫性（-25°C 至 125°C），并且可以實現最小分辨率為 0.3mm 的精細特征和復雜形狀，這些特征在傳統制造方法中難以實現。
四川大學高分子研究所通過云尚智造購買的硅膠3D打印機正式通過安裝測試，這是國內首臺硅膠3D打印機，將用于教學應用、科學研究等方向。云尚智造負責全程運輸、安裝、測試、培訓等一系列協調工作及全程跟蹤服務，四川大學也成為國內第一家擁有硅膠3D打印機的高等院校。
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