有機(jī)硅是一種合成橡膠，具有多種吸引人的特性。它的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常通用，可以調(diào)整其化學(xué)配方以適應(yīng)各種工業(yè)應(yīng)用，從密封件到關(guān)節(jié)、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人抓手、炊具、隔熱和電絕緣等。
如今，大多數(shù)有機(jī)硅產(chǎn)品都是通過(guò)注塑、壓縮成型或鑄造生產(chǎn)的。隨著 3D打印的進(jìn)步，許多人問這個(gè)問題，“你能3D打印硅膠部件嗎？”答案是肯定的！
有機(jī)硅具有非常高的粘度，因此很難精確地進(jìn)行3D打印。它不能像光聚合物材料那樣用紫外線加熱和擠出或固化。這意味著3D打印有機(jī)硅通常不像其他材料那樣廣泛可用，但當(dāng)今市場(chǎng)上終于有一種可訪問的解決方案。還有許多3D打印工藝提供具有類似硅膠特性的3D打印材料，3D打印也可用于制造用于成型硅膠零件的模具，將3D打印的許多好處帶到傳統(tǒng)的硅膠制造方法中。
在本綜合指南中，了解有機(jī)硅膠3D打印的不同選項(xiàng)、其替代方案，以及增材制造如何支持傳統(tǒng)的有機(jī)硅制造工藝。
有機(jī)硅3D打印工藝和替代品
硅膠3D打印機(jī)及其替代解決方案可分為三類：
1、直接硅膠3D打印： 可以使用100%純硅膠材料打印的硅膠3D打印機(jī)。
2、使用具有類硅特性的材料進(jìn)行3D打?。撼Ｒ姷木酆衔?D打印工藝提供各種具有類硅材料特性的材料，可作為某些應(yīng)用的替代品。
3、使用3D打印模具鑄造或成型 硅膠：使用3D打印快速制作可以彌合原型制作和用傳統(tǒng)制造方法批量生產(chǎn)硅膠零件之間的差距。
直接硅膠3D打印
雖然大多數(shù)3D打印技術(shù)已經(jīng)存在多年甚至數(shù)十年，但由于使用硅膠打印的復(fù)雜性，硅膠3D打印機(jī)長(zhǎng)期以來(lái)一直是一個(gè)相對(duì)實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)域。在過(guò)去的幾年中，一些公司將硅膠3D打印機(jī)推向市場(chǎng)，但這些解決方案都有一定的局限性以及過(guò)高的成本（超過(guò)10萬(wàn)美元），這意味著它們不適合大多數(shù)企業(yè)和應(yīng)用。
2023 年，F(xiàn)ormlabs 推出了硅膠40A，這是首款可打印的 100% 純有機(jī)硅 3D 打印材料，采用正在申請(qǐng)專利的純有機(jī)硅技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了澆注有機(jī)硅的出色材料特性和 3D 打印的優(yōu)勢(shì)。
該解決方案依靠Form 3+ 立體光刻 （SLA） 3D 打印生態(tài)系統(tǒng) ，在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)在內(nèi)部生產(chǎn) 100% 硅膠部件。
硅膠40A 部件具有 40A 肖氏硬度、230% 斷裂伸長(zhǎng)率和 12 kN/m 撕裂強(qiáng)度，非常適合需要柔韌性和耐用性的應(yīng)用，即使經(jīng)過(guò)反復(fù)拉伸、彎曲或壓縮也是如此。使用硅膠40A 制成的零件具有 34% 的回彈彈性、出色的耐化學(xué)性和耐熱性（-25°C 至 125°C），并且具有小至 0.3 mm 的精細(xì)特征和復(fù)雜的形狀，這些形狀在傳統(tǒng)制造方法中難以實(shí)現(xiàn)。
使用硅膠 40A 樹脂直接進(jìn)行有機(jī)硅 3D 打印是各種應(yīng)用的理想選擇，從快速原型制作到制造輔助工具、工具以及小批量或定制制造
硅膠40A材料是以下應(yīng)用的理想選擇：
1、彈性消費(fèi)品、汽車零部件和工業(yè)設(shè)備（如連接器、墊圈、執(zhí)行器、鍵盤和表帶）產(chǎn)品開發(fā)周期的快速原型制作、beta 測(cè)試和驗(yàn)證階段。
2、經(jīng)濟(jì)高效的小批量或定制制造室內(nèi)最終用途部件，如密封件和墊圈。
3、高質(zhì)量、持久的定制制造助劑和工具，如柔性鑄造模具、夾具、固定裝置和掩蔽工具。
4、醫(yī)療設(shè)備組件、患者匹配假肢和聽力學(xué)應(yīng)用。
5、傳統(tǒng)方法難以制造的復(fù)雜幾何零件。
Finis使用3D打印的硅膠墊圈和按鈕來(lái)創(chuàng)建其新型智能護(hù)目鏡的功能原型
FINIS， Inc. 3D打印的游泳鏡墊片在短短8小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)質(zhì)量相似，每件只需10美元，大大削減了超過(guò)1000美元的常規(guī)支出和與外包聚氨酯鑄造相關(guān)的三周時(shí)間表。3D打印硅膠墊片在游泳池環(huán)境中進(jìn)行了嚴(yán)格的水密性評(píng)估，幫助團(tuán)隊(duì)縮短了產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃。
多曼產(chǎn)品3D打印的定制墊圈，采用硅膠40A
擁有百年歷史的售后汽車零部件制造商Dorman Products，已轉(zhuǎn)向使用硅膠3D打印，以生產(chǎn)用于壓力測(cè)試新產(chǎn)品的定制墊片。以前，他們會(huì)在心軸壓力機(jī)中使用金屬模具切割墊圈，但改用3D打印使團(tuán)隊(duì)能夠大大減少交貨時(shí)間和成本，特別是考慮到他們必須測(cè)試數(shù)百個(gè)新組件。
HGM 汽車電子 3D 用硅膠 40A 樹脂打印的連接器密封件
HGM汽車電子 是一家專業(yè)的傳動(dòng)控制器制造商，通過(guò)嚴(yán)格的化學(xué)和機(jī)械測(cè)試，證明用硅膠40A打印的部件具有出色的機(jī)械性能和耐化學(xué)性，類似于他們傳統(tǒng)上依賴的注塑有機(jī)硅膠。在正常工作條件下在發(fā)動(dòng)機(jī)艙中進(jìn)行六周的熱循環(huán)和額外的化學(xué)流體暴露測(cè)試后，他們已經(jīng)將 3D 打印硅膠40A零件鑒定為最終用途汽車零件。
使用具有類有機(jī)硅特性的材料進(jìn)行 3D 打印
制造商選擇有機(jī)硅的一些主要原因是這些材料的彈性和柔韌性，這些材料為廣泛的應(yīng)用提供了支持。
有機(jī)硅的邵氏硬度通常在10A至80A之間。熔 融沉積成型 （FDM）、 , 立體光刻 （SLA ） 和選擇性激光燒結(jié) （SLS ） 等常見的聚合物 3D 打印工藝提供了該硬度范圍內(nèi)的各種材料，與有機(jī)硅的其他重要材料特性（如耐用性、熱穩(wěn)定性、抗紫外線性、食品安全、生物相容性以及顏色和半透明性選項(xiàng)）具有不同程度的相似性。
有機(jī)硅的FDM材料替代品
對(duì)于FDM 3D打印，熱塑性聚氨酯（TPU）和熱塑性彈性體（TPE）等彈性體是最靈活的材料，可以替代有機(jī)硅。這些材料在邵氏 45A 至邵氏 90A 硬度下市售，涵蓋了有機(jī)硅硬度范圍的較硬端。
與這些替代品相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是FDM 3D打印機(jī)和材料的普遍可負(fù)擔(dān)性。相反，缺點(diǎn)包括較低的精度和尺寸精度，低分辨率，質(zhì)量和零件強(qiáng)度，以及有限的設(shè)計(jì)自由度，所有這些都限制了現(xiàn)實(shí)世界的可用性。類有機(jī)硅FDM材料通常不如標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)硅耐用，不食品安全，耐溫性較低，顏色有限，沒有真正的半透明選擇，但它們可以具有生物相容性和皮膚安全性。
有機(jī)硅的SLA材料替代品
立體光刻3D打印因其高精度和廣泛的材料選擇而受到專業(yè)人士的歡迎。SLA 3D打印提供了多種有機(jī)硅替代品，使制造商能夠制作類似有機(jī)硅的零件原型，甚至制造具有有機(jī)硅柔韌性，彈性和耐用性的最終用途零件。與FDM相比，SLA部件提供最光滑的表面光潔度和更大的設(shè)計(jì)自由度。
類 有機(jī)硅柔性3D打印樹脂 通常也比標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)硅耐用，不食品安全，不具有生物相容性（但可以對(duì)皮膚安全），并且具有較低的耐溫性。類硅膠的SLA材料可以是半透明的，也可以 染色成不同的顏色 。
SLA 3D打印提供了多種有機(jī)硅替代品，可用于制作類似有機(jī)硅的零件原型，甚至制造最終用途的零件。
具體材料可用性取決于打印機(jī)型號(hào)，但通常屬于 30A 和 90A 邵氏硬度范圍。在 Formlabs 的 SLA 3D 打印材料中，有機(jī)硅的替代材料包括：
1、彈性 50A 樹脂 是一種柔軟材料，適用于通常用硅膠生產(chǎn)的零件原型制作。這種 50A 肖氏材料非常適合彎曲、拉伸、壓縮和保持重復(fù)循環(huán)而不會(huì)撕裂的零件，并快速?gòu)椈仄湓夹螤睢＿x擇 Elastic 50A 樹脂，適用于可穿戴設(shè)備（帶）、可拉伸外殼和外殼、可壓縮按鈕或醫(yī)療保健中的軟組織解剖模型等應(yīng)用。
2、柔性 80A 樹脂 是一種具有 80A 肖氏硬度計(jì)的硬質(zhì)柔軟觸感材料，可模擬硬質(zhì)有機(jī)硅以及橡膠或 TPU 的柔韌性。柔性 80A 樹脂平衡了柔軟度和強(qiáng)度，即使經(jīng)過(guò)重復(fù)循環(huán)，也能承受彎曲、彎曲和壓縮。它是原型制作應(yīng)用的理想選擇，如手柄、把手、包覆成型、緩沖、阻尼、減震、密封件、墊圈和面罩，或醫(yī)療保健中的軟骨、肌腱和韌帶解剖模型。
3、雖然略微超出有機(jī)硅材料的硬度范圍，但 Rebound Resin 是一種86A肖氏彈性3D打印材料，可為最終用途應(yīng)用提供獨(dú)特的性能。Rebound Resin的撕裂強(qiáng)度是市場(chǎng)上其他生產(chǎn)級(jí)彈性體材料的五倍，拉伸強(qiáng)度是其三倍，伸長(zhǎng)率是市場(chǎng)上其他生產(chǎn)級(jí)彈性材料的兩倍，非常適合3D打印有彈性的零件。Rebound Resin的高伸長(zhǎng)率使其非常適合觸覺，有彈性的部件，如手柄和把手。它足夠堅(jiān)固，可以承受恒定的壓縮或張力，非常適合制造經(jīng)久耐用的復(fù)雜墊片和密封件。
采用Rebound樹脂的New Balance鞋已經(jīng)投放市場(chǎng)并在世界各地穿著。Rebound 樹脂可承受各種元素，可在各種天氣條件下經(jīng)受日常使用，性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料。
有機(jī)硅的SLS材料替代品
選擇性激光燒結(jié)（SLS）3D打印 是工業(yè)應(yīng)用中最常見的增材制造技術(shù)。它提供了高精度、高吞吐量和幾乎無(wú)限的設(shè)計(jì)自由度，因?yàn)槲慈廴诘姆勰┰诖蛴∵^(guò)程中支撐零件，并且無(wú)需專用支撐結(jié)構(gòu)。
具有類似有機(jī)硅特性的 SLS 材料包括 TPU、TPE 和 TPA，硬度范圍在 45A 和 90A 肖氏之間。確切的可用性取決于打印機(jī)型號(hào)。
對(duì)于 FormlabsFuse 系列 SLS 3D 打印機(jī) ， TPU 90A 粉末 是一種堅(jiān)韌的彈性體，可生產(chǎn)具有無(wú)與倫比的設(shè)計(jì)自由度和易用性的彈性產(chǎn)品。TPU 90A Powder 平衡了高斷裂伸長(zhǎng)率和卓越的撕裂強(qiáng)度，使您能夠生產(chǎn)靈活、對(duì)皮膚安全的原型和最終用途部件，以滿足日常使用的需求——所有這些都以較低的單件成本實(shí)現(xiàn)。 TPU 90A 粉末是可穿戴設(shè)備、柔軟觸感元件、襯墊、阻尼器、?夾具、墊圈、密封件、鞋底、夾板、矯形器、假肢等。
采用類硅膠SLS材料生產(chǎn)的零件精確、耐用、耐磨，在三種塑料3D打印工藝中具有最高的耐溫性。它們可以具有生物相容性、皮膚安全，并且在后處理后也是食品安全 post-processing的。不利的一面是，SLS打印提供有限的顏色和半透明選項(xiàng)，并且壁薄的設(shè)計(jì)可能會(huì)在冷卻時(shí)翹曲。
比較有機(jī)硅 3D 打印工藝和替代方案
| 直接硅膠 3D 打印 （SLA） | FDM 3D 打印 | SLA 3D 打印 | SLS 3D 打印 |
使用3D打印模具鑄造或成型硅膠 |
|
|---|---|---|---|---|---|
準(zhǔn)確性 ??????????? |
★★★★★ |
★★★ ☆☆ |
★★★★★ |
★★★★★ |
★★★★★ |
|
表面光潔度 ???????????? |
★★★★★ |
★★★ ☆☆ |
★★★★★ |
★★★★ ☆ |
★★★★★ |
|
設(shè)計(jì)自由 |
★★★★ ☆ |
★★★ ☆☆ |
★★★★ ☆ |
★★★★★ |
★★★ ☆☆ |
|
易用性 |
★★★★ ☆ |
★★★ ☆☆ |
★★★★★ |
★★★★ ☆ |
★★★★★ |
|
材料 |
有機(jī) 硅 |
熱塑性聚氨酯、熱塑性聚氨酯 |
專有樹脂 |
噸位、噸位、噸位 |
有機(jī) 硅 |
| 硬度 | 40A 邵氏 |
45A 至 90A 肖氏 |
30A 至 90A 肖氏 |
臺(tái)式工業(yè)系統(tǒng)的起價(jià)為 24,999 美元，傳統(tǒng)工業(yè)打印機(jī)的起價(jià)為 100,000 美元。 |
10A 至 80A 肖氏 |
| 價(jià)格 | 起價(jià)為2,499美元，與SLA 3D打印相同。 |
預(yù)算打印機(jī)和3D打印機(jī)套件起價(jià)為幾百美元。更高質(zhì)量的中檔桌面打印機(jī)起價(jià)約為 2,000 美元，工業(yè)系統(tǒng)起價(jià)為 15,000 美元。 |
專業(yè)桌面打印機(jī)起價(jià)為 2,499 美元，大幅面臺(tái)式打印機(jī)起價(jià)為 8,999 美元。 |
臺(tái)式工業(yè)系統(tǒng)的起價(jià)為 24,999 美元，傳統(tǒng)工業(yè)打印機(jī)的起價(jià)為 100,000 美元。 |
與打印機(jī)的 SLA 3D 打印相同。其他成本取決于制造工藝。 |
| 優(yōu)點(diǎn) | 使用真正的有機(jī)硅 |
實(shí)惠 |
實(shí)惠 |
耐用且耐磨 |
使用真正的有機(jī)硅 |
| 缺點(diǎn) | 有限的材料選擇 |
精度和分辨率低 |
有限的材料選擇 |
有限的材料選擇 |
勞動(dòng)密集型工作流程 |
| 適用于 | 功能原型設(shè)計(jì) |
簡(jiǎn)單零件的原型制作 |
功能原型設(shè)計(jì) |
功能原型設(shè)計(jì) |
功能原型設(shè)計(jì) |
選擇合適的硅膠 3D 打印工藝或替代方案
直接硅膠3D打印現(xiàn)在終于很容易實(shí)現(xiàn)，還有許多其他方法可以利用3D打印的優(yōu)勢(shì)來(lái)生產(chǎn)有機(jī)硅或類有機(jī)硅部件。
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