硅膠3D打印教科書指南，國(guó)內(nèi)廠商能否強(qiáng)勢(shì)出擊重返市場(chǎng)
時(shí)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(gè)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(xiàng)研究表明，硅膠3D打印市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2028年將以19.9%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。本篇中，TCT小編也將詳細(xì)介紹有機(jī)硅以及該材料在增材制造中的應(yīng)用。
1、什么時(shí)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(jī)聚合物。就聚硅氧烷而言，聚合是通過硅氧烷的縮合反應(yīng)進(jìn)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(jìn)硅氧烷官能團(tuán)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(dòng)性。這類聚合物的主要特點(diǎn)是耐化學(xué)性以及物理和機(jī)械性能。聚硅氧烷和有機(jī)硅是指同一種材料，前者是技術(shù)術(shù)語(yǔ)，而后者在商業(yè)和日常生活環(huán)境中更為常用。
有機(jī)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(rùn)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(dāng)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(guó)化工巨頭瓦克化學(xué)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(fù)，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(jī)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(gè)領(lǐng)域的青睞。
如前所述，與有機(jī)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(jī)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(jì)量泵，以確保高分配和計(jì)量精度。這些泵通過壓力注射器提供原材料，并輸送和計(jì)量要印刷的材料量。材料通過連接到泵出口的精密噴嘴進(jìn)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(huì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)（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(xué)特性。
硅膠3D打印的優(yōu)勢(shì)和局限性
硅膠3D打印主要優(yōu)點(diǎn)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(shí)由于其柔韌性而節(jié)省空間，不會(huì)影響其機(jī)械性能。硅膠還能抵抗極端的溫度和輻射波動(dòng)，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(dǎo)電、絕緣和生物相容性等特性，因此在各種3D打印應(yīng)用中都很有吸引力。
硅膠3D打印的缺點(diǎn)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(jī)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(shí)生產(chǎn)多個(gè)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(gè)打印頭，因此只能創(chuàng)建簡(jiǎn)單的平面模型，無法為復(fù)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(zhǎng)的固化過程，導(dǎo)致了整體生產(chǎn)時(shí)間變久。
應(yīng)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(jì)，以及制造出創(chuàng)造傳統(tǒng)無法想象的獨(dú)特形狀。從這項(xiàng)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(xué)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(shí)驗(yàn)創(chuàng)造細(xì)胞生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。
Elkem�？嫌袡C(jī)硅就是市場(chǎng)上最知名的企業(yè)之一，該公司致力于為先進(jìn)制造業(yè)開發(fā)有機(jī)硅。�？嫌袡C(jī)硅的AMSIL™ SILBIONE™ 系列可結(jié)合3D打印幫助醫(yī)護(hù)人員提供個(gè)性化治療，應(yīng)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(jià)值。
Formlabs在2023年TCT亞洲展現(xiàn)場(chǎng)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(shì)。
Silicone 40A Resin 部件具有 40A 邵氏硬度、230% 的斷裂伸長(zhǎng)率和 12kN/m 的抗撕裂強(qiáng)度，非常適合有極高柔韌性和耐用性要求的應(yīng)用，即使在反復(fù)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(xué)腐蝕性和耐高溫性（-25°C 至 125°C），并且可以實(shí)現(xiàn)最小分辨率為 0.3mm 的精細(xì)特征和復(fù)雜形狀，這些特征在傳統(tǒng)制造方法中難以實(shí)現(xiàn)。
四川大學(xué)高分子研究所通過云尚智造購(gòu)買的硅膠3D打印機(jī)正式通過安裝測(cè)試，這是國(guó)內(nèi)首臺(tái)硅膠3D打印機(jī)，將用于教學(xué)應(yīng)用、科學(xué)研究等方向。云尚智造負(fù)責(zé)全程運(yùn)輸、安裝、測(cè)試、培訓(xùn)等一系列協(xié)調(diào)工作及全程跟蹤服務(wù)，四川大學(xué)也成為國(guó)內(nèi)第一家擁有硅膠3D打印機(jī)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(jìn)武器、電子工業(yè)等方面大顯身手。食品級(jí)硅膠制品、醫(yī)療級(jí)硅膠制品、建筑密封膠、隱形眼鏡、服裝和消費(fèi)產(chǎn)品層出不窮，它也必將成為3D打印重要的應(yīng)用點(diǎn)。
1、什么時(shí)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(jī)聚合物。就聚硅氧烷而言，聚合是通過硅氧烷的縮合反應(yīng)進(jìn)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(jìn)硅氧烷官能團(tuán)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(dòng)性。這類聚合物的主要特點(diǎn)是耐化學(xué)性以及物理和機(jī)械性能。聚硅氧烷和有機(jī)硅是指同一種材料，前者是技術(shù)術(shù)語(yǔ)，而后者在商業(yè)和日常生活環(huán)境中更為常用。
有機(jī)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(rùn)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(dāng)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(guó)化工巨頭瓦克化學(xué)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(fù)，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(jī)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(gè)領(lǐng)域的青睞。
△通過壓力注射器進(jìn)行硅膠3D打印
如前所述，與有機(jī)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(jī)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(jì)量泵，以確保高分配和計(jì)量精度。這些泵通過壓力注射器提供原材料，并輸送和計(jì)量要印刷的材料量。材料通過連接到泵出口的精密噴嘴進(jìn)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(huì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)（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(xué)特性。
硅膠3D打印的優(yōu)勢(shì)和局限性
硅膠3D打印主要優(yōu)點(diǎn)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(shí)由于其柔韌性而節(jié)省空間，不會(huì)影響其機(jī)械性能。硅膠還能抵抗極端的溫度和輻射波動(dòng)，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(dǎo)電、絕緣和生物相容性等特性，因此在各種3D打印應(yīng)用中都很有吸引力。
硅膠3D打印的缺點(diǎn)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(jī)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(shí)生產(chǎn)多個(gè)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(gè)打印頭，因此只能創(chuàng)建簡(jiǎn)單的平面模型，無法為復(fù)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(zhǎng)的固化過程，導(dǎo)致了整體生產(chǎn)時(shí)間變久。
應(yīng)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(jì)，以及制造出創(chuàng)造傳統(tǒng)無法想象的獨(dú)特形狀。從這項(xiàng)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(xué)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(shí)驗(yàn)創(chuàng)造細(xì)胞生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。
Elkem�？嫌袡C(jī)硅就是市場(chǎng)上最知名的企業(yè)之一，該公司致力于為先進(jìn)制造業(yè)開發(fā)有機(jī)硅。�？嫌袡C(jī)硅的AMSIL™ SILBIONE™ 系列可結(jié)合3D打印幫助醫(yī)護(hù)人員提供個(gè)性化治療，應(yīng)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(jià)值。
Formlabs在2023年TCT亞洲展現(xiàn)場(chǎng)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(shì)。
Silicone 40A Resin 部件具有 40A 邵氏硬度、230% 的斷裂伸長(zhǎng)率和 12kN/m 的抗撕裂強(qiáng)度，非常適合有極高柔韌性和耐用性要求的應(yīng)用，即使在反復(fù)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(xué)腐蝕性和耐高溫性（-25°C 至 125°C），并且可以實(shí)現(xiàn)最小分辨率為 0.3mm 的精細(xì)特征和復(fù)雜形狀，這些特征在傳統(tǒng)制造方法中難以實(shí)現(xiàn)。
四川大學(xué)高分子研究所通過云尚智造購(gòu)買的硅膠3D打印機(jī)正式通過安裝測(cè)試，這是國(guó)內(nèi)首臺(tái)硅膠3D打印機(jī)，將用于教學(xué)應(yīng)用、科學(xué)研究等方向。云尚智造負(fù)責(zé)全程運(yùn)輸、安裝、測(cè)試、培訓(xùn)等一系列協(xié)調(diào)工作及全程跟蹤服務(wù)，四川大學(xué)也成為國(guó)內(nèi)第一家擁有硅膠3D打印機(jī)的高等院校。
(責(zé)任編輯：admin)
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