硅膠3D打印教科書指南，國內(nèi)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(xiàn)在這個問題已經(jīng)有了解決方案，尤其是在醫(yī)療和醫(yī)用生物材料領(lǐng)域的發(fā)展，硅膠3D打印有助于改善患者現(xiàn)有的治療效果。據(jù)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(zhuǎn)變是在催化劑（酸或堿）的作用下發(fā)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(xiàn)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(shù)術(shù)語，而后者在商業(yè)和日常生活環(huán)境中更為常用。
有機硅的狀態(tài)多種多樣，取決于其大分子結(jié)構(gòu)、大小及其成分鏈的分布。它的形態(tài)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(fā)出用于硅膠3D打印系統(tǒng)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(shù)生產(chǎn)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(guān)閉，但這家公司早期采用的硅膠3D打印技術(shù)仍受到工業(yè)產(chǎn)品、化工、醫(yī)藥和牙科等多個領(lǐng)域的青睞。
如前所述，與有機硅兼容的3D打印技術(shù)之一是光聚合。不過，也有其他增材制造技術(shù)可與此類材料配合使用。在擠壓技術(shù)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(shù)（FFF/FDM）。不過，從噴嘴噴出的材料并不是固定不變的，而是經(jīng)過調(diào)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(jié)束后，會發(fā)生交聯(lián)反應（聚合物結(jié)合在一起形成鏈，形成一種網(wǎng)絡(luò)），使已經(jīng)成型的材料變硬。交聯(lián)后，部件獲得最終的物理和化學特性。
硅膠3D打印的優(yōu)勢和局限性
硅膠3D打印主要優(yōu)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(jié)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(fā)硅膠3D打印的技術(shù)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(shè)備雖然可以同時生產(chǎn)多個部件，但還不能滿足大批量生產(chǎn)的要求。許多設(shè)備使用單個打印頭，因此只能創(chuàng)建簡單的平面模型，無法為復雜模型提供支持結(jié)構(gòu)。
不過，近年來這種情況已經(jīng)發(fā)生了變化，現(xiàn)有更多的雙噴頭IDEX解決方案也可以制作支撐結(jié)構(gòu)。但部件的后處理也是該技術(shù)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(chǎn)時間變久。
應用和制造商
硅膠3D打印技術(shù)非常適合中小批量生產(chǎn)和原型設(shè)計，以及制造出創(chuàng)造傳統(tǒng)無法想象的獨特形狀。從這項技術(shù)中受益最大的部門之一是醫(yī)療行業(yè)，硅膠3D打印用于生產(chǎn)為每位患者定制的植入物、假體和醫(yī)療模型。硅膠的觸感與人體組織相似，使它成為外科手術(shù)的理想材料。生物醫(yī)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(chuàng)造細胞生長結(jié)構(gòu)。
Elkem埃肯有機硅就是市場上最知名的企業(yè)之一，該公司致力于為先進制造業(yè)開發(fā)有機硅。埃肯有機硅的AMSIL™ SILBIONE™ 系列可結(jié)合3D打印幫助醫(yī)護人員提供個性化治療，應用于解剖模型、手術(shù)方案制定、定制化假肢和可穿戴設(shè)備等，成為未來患者專用醫(yī)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(xiàn)場全球率先首發(fā)了兩款新材料，其中新發(fā)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(shù)™ (Pure Silicone Technology™) 的純硅膠3D打印材料，它融合了鑄造硅膠的優(yōu)異材料特性與3D打印的優(yōu)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(yōu)異的耐化學腐蝕性和耐高溫性（-25°C 至 125°C），并且可以實現(xiàn)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(tǒng)制造方法中難以實現(xiàn)。
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(nèi)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(xié)調(diào)工作及全程跟蹤服務，四川大學也成為國內(nèi)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(yè)等方面大顯身手。食品級硅膠制品、醫(yī)療級硅膠制品、建筑密封膠、隱形眼鏡、服裝和消費產(chǎn)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(zhuǎn)變是在催化劑（酸或堿）的作用下發(fā)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(xiàn)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(shù)術(shù)語，而后者在商業(yè)和日常生活環(huán)境中更為常用。
有機硅的狀態(tài)多種多樣，取決于其大分子結(jié)構(gòu)、大小及其成分鏈的分布。它的形態(tài)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(fā)出用于硅膠3D打印系統(tǒng)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(shù)生產(chǎn)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(guān)閉，但這家公司早期采用的硅膠3D打印技術(shù)仍受到工業(yè)產(chǎn)品、化工、醫(yī)藥和牙科等多個領(lǐng)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(shù)之一是光聚合。不過，也有其他增材制造技術(shù)可與此類材料配合使用。在擠壓技術(shù)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(shù)（FFF/FDM）。不過，從噴嘴噴出的材料并不是固定不變的，而是經(jīng)過調(diào)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(jié)束后，會發(fā)生交聯(lián)反應（聚合物結(jié)合在一起形成鏈，形成一種網(wǎng)絡(luò)），使已經(jīng)成型的材料變硬。交聯(lián)后，部件獲得最終的物理和化學特性。
硅膠3D打印的優(yōu)勢和局限性
硅膠3D打印主要優(yōu)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(jié)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(fā)硅膠3D打印的技術(shù)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(shè)備雖然可以同時生產(chǎn)多個部件，但還不能滿足大批量生產(chǎn)的要求。許多設(shè)備使用單個打印頭，因此只能創(chuàng)建簡單的平面模型，無法為復雜模型提供支持結(jié)構(gòu)。
不過，近年來這種情況已經(jīng)發(fā)生了變化，現(xiàn)有更多的雙噴頭IDEX解決方案也可以制作支撐結(jié)構(gòu)。但部件的后處理也是該技術(shù)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(chǎn)時間變久。
應用和制造商
硅膠3D打印技術(shù)非常適合中小批量生產(chǎn)和原型設(shè)計，以及制造出創(chuàng)造傳統(tǒng)無法想象的獨特形狀。從這項技術(shù)中受益最大的部門之一是醫(yī)療行業(yè)，硅膠3D打印用于生產(chǎn)為每位患者定制的植入物、假體和醫(yī)療模型。硅膠的觸感與人體組織相似，使它成為外科手術(shù)的理想材料。生物醫(yī)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(chuàng)造細胞生長結(jié)構(gòu)。
Elkem埃肯有機硅就是市場上最知名的企業(yè)之一，該公司致力于為先進制造業(yè)開發(fā)有機硅。埃肯有機硅的AMSIL™ SILBIONE™ 系列可結(jié)合3D打印幫助醫(yī)護人員提供個性化治療，應用于解剖模型、手術(shù)方案制定、定制化假肢和可穿戴設(shè)備等，成為未來患者專用醫(yī)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(xiàn)場全球率先首發(fā)了兩款新材料，其中新發(fā)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(shù)™ (Pure Silicone Technology™) 的純硅膠3D打印材料，它融合了鑄造硅膠的優(yōu)異材料特性與3D打印的優(yōu)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(yōu)異的耐化學腐蝕性和耐高溫性（-25°C 至 125°C），并且可以實現(xiàn)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(tǒng)制造方法中難以實現(xiàn)。
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(nèi)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(xié)調(diào)工作及全程跟蹤服務，四川大學也成為國內(nèi)第一家擁有硅膠3D打印機的高等院校。
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