硅胶3D打印，下一个材料突破点

2016-09-28 08:47

硅胶的化学性质稳定、吸附性能高、热稳定性好、机械强度较高，是一种高活性多孔材料。近年来，这种材料也开始与3D打印擦出火花，和陶瓷、石墨烯一起，并称为最具市场前景的三大新型3D打印材料。

3D打印与硅胶充满坎坷的“合体”

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打印硅胶重要的应用点。

3D打印的鞋底硅胶晶格结构

以硅胶为原料3D打印定制的内衣

硅胶3D打印乳房植入物

（医生可以首先使用3D扫描获得患者乳房的原始形状，然后用3D打印技术高效地将其复制出来，大大简化流程）

在传统上，硅胶部件只能通过注塑成型工艺来制造，这是相当昂贵的，除非用于大批量生产的部件才比较划算。但是，使用这种材料开发模具的成本，对于一般原型设计、定制和普通产品开发来说太过昂贵了。

如果直接用3D打印成型硅胶制品，即可完美解决成本上的问题。

但基于硅胶这种材料的特殊性质，3D打印硅胶还是比较难实现。高性能硅胶是一种纳米复合弹性体系，不能像热塑性塑料或者金属那样经过加热并打印成型。因此，较为成熟的熔融沉积（FDM）、光固化（SLA）、选择性激光烧结（SLS）等3D打印工艺不能满足硅橡胶多孔材料的3D成型要求。

不过，目前也有部分公司和科研机构在新型的硅胶3D打印技术方面取得了一些突破。

Picsima：医疗和食品级硅胶3D打印机

2014年10月，英国Fripp Design Research宣布推出了一款可使用硅胶进行打印工作的3D打印机——Picsima硅胶3D打印机。打印尺寸为100×100×30mm，打印层厚精细至0.4mm，打印成品硬度可低至邵氏硬度10A，意味着可以达到超柔的水平，可以反复拉伸而不致断裂。

Picsima工艺是一种介于粉末床3D打印和光固化3D打印之间的过程。主要是利用催化剂，对盛满特种硅油的“材料池”进行烧结或凝固——利用3D打印机针型挤出头层层喷射定量催化剂到硅油表面。由于催化剂可以快速凝固硅胶，打印对象完全不需要支撑和后处理。另外，打印过程中还使用了交联剂，打印对象各部分的柔软程度会根据交联剂产生变化。最后，这种工艺还可以进行染色打印，制作出彩色硅胶。

Picsima硅胶3D打印机现已获FDA批准用于医疗和食品应用中，他们还为该设备专门申请了专利。其室温硫化（RTV）医用级硅胶材料可以广泛用于3D打印假肢（耳、鼻、义齿等）、医疗设备、电子消费品以及工业级原型产品，已获批用于人体。事实上，Picsima还发现，结合3D扫描技术，医生们可以将其应用于庞大的乳房植入行业。

硅胶耳塞

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他们还成立了一家新公司Picsima Limited，专门为客户提供3D打印硅胶的服务。Fripp Design宣布，近期将会展出其新的Picsima硅胶3D打印开发系统，据称测试硅胶部件可以实现SLA打印精度。

Picsima Silicone 3D Printer Development System

瓦克化学：按需滴喷（drop-on-demand）技术

2015年8月，化学巨头瓦克化学（Wacker Chemie）在其刚刚发布的第二季度财报中披露，他们的瓦克有机硅事业部已经开发出一种技术，可以把硅胶作为3D打印材料。这项新技术是他们与德国产品开发公司Ingenieure共同开发的。今年，瓦克化学表示，将在今年10月份举办的K 2016展会上正式展示他们带来的世界第一款工业级硅胶3D打印机ACEO Imagine Series K！

他们最终开发出来的工艺称为按需滴喷（drop-on-demand）技术——ACEO技术，使用的是玻璃打印床、以及一种特殊的硅胶材料，该材料具有很高的粘稠度并且对UV光很敏感。在3D打印过程中，类似的喷墨打印机的打印头会在玻璃打印床上用硅胶的微小液滴铺设一薄层，然后用UV光对其进行硫化。每一个新的硅胶层铺设的同时其下一层被硫化，该过程重复进行，直到目标对象被3D打印完成。最终打印出来的对象具有光滑的表面，和传统制造出来的硅胶部件完全一样，是完全生物相容、具有耐热性和透明的。

该技术的关键是要使用非常小滴的硅胶液进行打印，而且材料要通过一个小小的、专用的打印喷嘴。因为硅胶液滴需要既小、又精确地放置在打印平台上，所以标准的3D打印软件无法满足其要求，开发人员需要自己开发定制的软件方案。当第一层硅胶被打印时，硅胶液滴会合成一条细行，UV光速需要在不到一秒钟的时间里将其硫化。UV光的照射会使硅胶分子相互交连形成固态、柔软的弹性体材料。据了解，目前该技术的打印速度仍然没有达到瓦克公司认为可以上市销售的标准，开发团队认为，他们最终将会改进其打印过程使其达到能够在一小时内打印100克硅胶的速度。

瓦克化学开发的硅胶3D打印机能够用0.6毫米宽、0.3毫米厚的硅胶条打印出非常精细的内容。研究人员说，3D打印出来的成品与注塑成型产品看起来几乎一样。为了获得精细的效果，他们开发出一种特殊的硅胶材料，它打印出来的时候是液体，并且能够完全静止地沉积在打印表面上。

中国工程物理研究院：三维直写-热固化成型技术

针对硅橡胶多孔材料的物理流变和化学流变特点，中国工程物理研究院开发了一种三维直写-热固化成型（Three-dimension Direct-writing Thermo-curing,3DDT）技术，搭建了由压力注射笔和多轴移动平台构成的打印系统，设计了具有动态可塑、静态成形以及加热固化定型的硅橡胶纳米复合材料体系，成功实现了硅橡胶多孔材料的3D打印。