硅胶3D打印教科书指南,国内厂商能否强势出击重返市场
文章和图片来源: 时间:2023.11.14 点击率:
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硅胶3D打印此前无法像聚合物或金属那样用热熔化并逐层沉积,但现在这个问题已经有了解决方案,尤其是在医疗和医用生物材料领域的发展,硅胶3D打印有助于改善患者现有的治疗效果。
据Precision Business Insight的一项研究表明,硅胶3D打印市场预计到2028年将以19.9%的复合年增长率增长。本篇中,TCT小编也将详细介绍有机硅以及该材料在增材制造中的应用。
聚硅氧烷,俗称硅胶,是一种由硅氧烷(由硅原子和氧原子组成的分子)聚合而成的无机聚合物。就聚硅氧烷而言,聚合是通过硅氧烷的缩合反应进行的。这种转变是在催化剂(酸或碱)的作用下发生的,其作用是促进硅氧烷官能团之间形成键合。由于氧原子和硅原子之间形成了键,聚合物链因此表现出显著的流动性。这类聚合物的主要特点是耐化学性以及物理和机械性能。聚硅氧烷和有机硅是指同一种材料,前者是技术术语,而后者在商业和日常生活环境中更为常用。
有机硅的状态多种多样,取决于其大分子结构、大小及其成分链的分布。它的形态有硅油和硅橡胶(用作添加剂、润滑剂或液压油)、硅凝胶(用于义乳或自行车座垫)以及弹性体。后者是当今最常用的硅胶。
第一家开发出用于硅胶3D打印系统的公司源于德国化工巨头瓦克化学股份公司旗下的 ACEO公司。在2016年,该公司推出了一种类似喷墨打印的工艺(硅胶液滴被涂抹成一层,然后用紫外线光源固化;这一过程逐层重复,直到最终部件制作完成),其技术生产的零件具有各向同性(即在所有方向上均匀一致)的机械性能,可与注塑成型相媲美。目前ACEO已于2021年底关闭,但这家公司早期采用的硅胶3D打印技术仍受到工业产品、化工、医药和牙科等多个领域的青睐。
通过压力注射器进行硅胶3D打印
如前所述,与有机硅兼容的3D打印技术之一是光聚合。不过,也有其他
增材制造技术可与此类材料配合使用。在挤压技术而言,有机硅需要特定的硬件特性。首先,材料必须包装在带有柱塞的可连接注射器中。压头通常配有容积计量泵,以确保高分配和计量精度。这些泵通过压力注射器提供原材料,并输送和计量要印刷的材料量。材料通过连接到泵出口的精密喷嘴进行喷涂。
因此,所述的增材制造工艺类似于挤压技术(FFF/FDM)。不过,从喷嘴喷出的材料并不是固定不变的,而是经过调配的打印液,具有一定的粘度,可以自行叠加。在打印过程中和打印结束后,会发生交联反应(聚合物结合在一起形成链,形成一种网络),使已经成型的材料变硬。交联后,部件获得最终的物理和化学特性。
硅胶3D打印主要优点之一是可以制作出具有高度灵活性和耐久性的3D模型,这意味着它可以承受比其他材料更高的载荷和压力,同时由于其柔韧性而节省空间,不会影响其机械性能。硅胶还能抵抗极端的温度和辐射波动,使部件比玻璃或类似材料更不易受到此类影响。因硅胶具有的高透明度,非常适合需要视觉检查的模型,且其兼具导电、绝缘和生物相容性等特性,因此在各种3D打印应用中都很有吸引力。
硅胶3D打印的缺点之一是硬件和材料的可及性。尽管越来越多的公司正在开发硅胶3D打印的技术解决方案,但提供此类机器的制造商仍然很少。在成本较高,且材料选择有限的情况下,设备虽然可以同时生产多个部件,但还不能满足大批量生产的要求。许多设备使用单个打印头,因此只能创建简单的平面模型,无法为复杂模型提供支持结构。
不过,近年来这种情况已经发生了变化,现有更多的双喷头IDEX解决方案也可以制作支撑结构。但部件的后处理也是该技术的局限性之一,由于硅树脂一般需要较长的固化过程,导致了整体生产时间变久。
硅胶3D打印技术非常适合中小批量生产和原型设计,以及制造出创造传统无法想象的独特形状。从这项技术中受益最大的部门之一是医疗行业,硅胶3D打印用于生产为每位患者定制的植入物、假体和医疗模型。硅胶的触感与人体组织相似,使它成为外科手术的理想材料。生物医学研究也在利用这种3D打印硅胶,将其用作组织工程支架,为研究和实验创造细胞生长结构。
Elkem埃肯有机硅就是市场上最知名的企业之一,该公司致力于为先进制造业开发有机硅。
埃肯有机硅的AMSIL™ SILBIONE™ 系列可结合3D打印帮助医护人员提供个性化治疗,应用于解剖模型、手术方案制定、定制化假肢和可穿戴设备等,成为未来患者专用医疗中越来越重要的一部分,大幅提升患者的生命价值。
Formlabs在2023年TCT亚洲展现场全球率先首发了两款新材料,其中新发布的硅胶树脂Silicone 40A是一款100%纯硅胶的光固化打印材料。这是市面上首款搭载待批专利纯硅胶技术™ (Pure Silicone Technology™) 的纯硅胶3D打印材料,它
融合了铸造硅胶的优异材料特性与3D打印的优势。
Silicone 40A Resin 部件具有 40A 邵氏硬度、230% 的断裂伸长率和 12kN/m 的抗撕裂强度,非常适合有极高柔韧性和耐用性要求的应用,即使在反复拉伸、弯曲或压缩的情况下也能保持良好的性能。Silicone 40A Resin 部件还具有 34% 的回弹弹性,优异的耐化学腐蚀性和耐高温性(-25°C 至 125°C),并且可以实现最小分辨率为 0.3mm 的精细特征和复杂形状,
这些特征在传统制造方法中难以实现。
四川大学高分子研究所通过云尚智造购买的硅胶3D打印机正式通过安装测试,这是国内首台硅胶3D打印机,将用于教学应用、科学研究等方向。云尚智造负责全程运输、安装、测试、培训等一系列协调工作及全程跟踪服务,四川大学也成为国内第一家拥有硅胶3D打印机的高等院校。
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打印重要的应用点。
2024年TCT亚洲展正在招展中,早鸟95折优惠报名将于12月10日截止,欢迎您联系TCT亚洲展销售同事。
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TCT Asia 2024
时间与地点
5月7日 09:00 - 17:30
5月8日 09:00 - 17:30
5月9日 09:00 - 15:00
国家会展中心(上海)7.1&8.1馆