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你可以3D打印硅胶吗?最佳的硅胶3D打印机和替代方案
2023-10-09
访问量:557 次

有机硅是一种合成橡胶,具有多种吸引人的特性。它的化学结构非常通用,可以调整其化学配方以适应各种工业应用,从密封件到关节、可穿戴设备、医疗设备、机器人抓手、炊具、隔热和电绝缘等。


如今,大多数有机硅产品都是通过注塑、压缩成型或铸造生产的。随着 3D打印的进步,许多人问这个问题,“你能3D打印硅胶部件吗?”答案是肯定的!


有机硅具有非常高的粘度,因此很难精确地进行3D打印。它不能像光聚合物材料那样用紫外线加热和挤出或固化。这意味着3D打印有机硅通常不像其他材料那样广泛可用,但当今市场上终于有一种可访问的解决方案。还有许多3D打印工艺提供具有类似硅胶特性的3D打印材料,3D打印也可用于制造用于成型硅胶零件的模具,将3D打印的许多好处带到传统的硅胶制造方法中。


在本综合指南中,了解有机硅胶3D打印的不同选项、其替代方案,以及增材制造如何支持传统的有机硅制造工艺。


有机硅3D打印工艺和替代品


硅胶3D打印机及其替代解决方案可分为三类:

1、直接硅胶3D打印: 可以使用100%纯硅胶材料打印的硅胶3D打印机。

2、使用具有类硅特性的材料进行3D打印:常见的聚合物3D打印工艺提供各种具有类硅材料特性的材料,可作为某些应用的替代品。

3、使用3D打印模具铸造或成型 硅胶:使用3D打印快速制作可以弥合原型制作和用传统制造方法批量生产硅胶零件之间的差距。


直接硅胶3D打印


虽然大多数3D打印技术已经存在多年甚至数十年,但由于使用硅胶打印的复杂性,硅胶3D打印机长期以来一直是一个相对实验的领域。在过去的几年中,一些公司将硅胶3D打印机推向市场,但这些解决方案都有一定的局限性以及过高的成本(超过10万美元),这意味着它们不适合大多数企业和应用。


2023 年,Formlabs 推出了硅胶40A,这是首款可打印的 100% 纯有机硅 3D 打印材料,采用正在申请专利的纯有机硅技术,该技术结合了浇注有机硅的出色材料特性和 3D 打印的优势。


该解决方案依靠Form 3+ 立体光刻 (SLA) 3D 打印生态系统 ,在几个小时内在内部生产 100% 硅胶部件。


硅胶40A 部件具有 40A 肖氏硬度、230% 断裂伸长率和 12 kN/m 撕裂强度,非常适合需要柔韧性和耐用性的应用,即使经过反复拉伸、弯曲或压缩也是如此。使用硅胶40A 制成的零件具有 34% 的回弹弹性、出色的耐化学性和耐热性(-25°C 至 125°C),并且具有小至 0.3 mm 的精细特征和复杂的形状,这些形状在传统制造方法中难以实现。


silicone 3D printed parts

使用硅胶 40A 树脂直接进行有机硅 3D 打印是各种应用的理想选择,从快速原型制作到制造辅助工具、工具以及小批量或定制制造


硅胶40A材料是以下应用的理想选择:

1、弹性消费品、汽车零部件和工业设备(如连接器、垫圈、执行器、键盘和表带)产品开发周期的快速原型制作、beta 测试和验证阶段。

2、经济高效的小批量或定制制造室内最终用途部件,如密封件和垫圈。

3、高质量、持久的定制制造助剂和工具,如柔性铸造模具、夹具、固定装置和掩蔽工具。

4、医疗设备组件、患者匹配假肢和听力学应用。

5、传统方法难以制造的复杂几何零件。


3D printed silicone gaskets on a smart swimming goggle

Finis使用3D打印的硅胶垫圈和按钮来创建其新型智能护目镜的功能原型


FINIS, Inc. 3D打印的游泳镜垫片在短短8小时内生产质量相似,每件只需10美元,大大削减了超过1000美元的常规支出和与外包聚氨酯铸造相关的三周时间表。3D打印硅胶垫片在游泳池环境中进行了严格的水密性评估,帮助团队缩短了产品开发计划。


Custom gaskets from Dorman Products 3D printed in Silicone 40A Resin.

多曼产品3D打印的定制垫圈,采用硅胶40A


拥有百年历史的售后汽车零部件制造商Dorman Products,已转向使用硅胶3D打印,以生产用于压力测试新产品的定制垫片。以前,他们会在心轴压力机中使用金属模具切割垫圈,但改用3D打印使团队能够大大减少交货时间和成本,特别是考虑到他们必须测试数百个新组件。


Connectors seals from HGM Automotive Electronics 3D printed with Silicone 40A Resin.

HGM 汽车电子 3D 用硅胶 40A 树脂打印的连接器密封件


HGM汽车电子 是一家专业的传动控制器制造商,通过严格的化学和机械测试,证明用硅胶40A打印的部件具有出色的机械性能和耐化学性,类似于他们传统上依赖的注塑有机硅胶。在正常工作条件下在发动机舱中进行六周的热循环和额外的化学流体暴露测试后,他们已经将 3D 打印硅胶40A零件鉴定为最终用途汽车零件。


使用具有类有机硅特性的材料进行 3D 打印


制造商选择有机硅的一些主要原因是这些材料的弹性和柔韧性,这些材料为广泛的应用提供了支持。


有机硅的邵氏硬度通常在10A至80A之间。熔 融沉积成型 (FDM)、 , 立体光刻 (SLA 选择性激光烧结 (SLS 等常见的聚合物 3D 打印工艺提供了该硬度范围内的各种材料,与有机硅的其他重要材料特性(如耐用性、热稳定性、抗紫外线性、食品安全、生物相容性以及颜色和半透明性选项)具有不同程度的相似性。


有机硅的FDM材料替代品


对于FDM 3D打印,热塑性聚氨酯(TPU)和热塑性弹性体(TPE)等弹性体是最灵活的材料,可以替代有机硅。这些材料在邵氏 45A 至邵氏 90A 硬度下市售,涵盖了有机硅硬度范围的较硬端。


与这些替代品相关的优点是FDM 3D打印机和材料的普遍可负担性。相反,缺点包括较低的精度和尺寸精度,低分辨率,质量和零件强度,以及有限的设计自由度,所有这些都限制了现实世界的可用性。类有机硅FDM材料通常不如标准有机硅耐用,不食品安全,耐温性较低,颜色有限,没有真正的半透明选择,但它们可以具有生物相容性和皮肤安全性。


有机硅的SLA材料替代品


立体光刻3D打印因其高精度和广泛的材料选择而受到专业人士的欢迎。SLA 3D打印提供了多种有机硅替代品,使制造商能够制作类似有机硅的零件原型,甚至制造具有有机硅柔韧性,弹性和耐用性的最终用途零件。与FDM相比,SLA部件提供最光滑的表面光洁度和更大的设计自由度。


有机硅柔性3D打印树脂 通常也比标准有机硅耐用,不食品安全,不具有生物相容性(但可以对皮肤安全),并且具有较低的耐温性。类硅胶的SLA材料可以是半透明的,也可以 染色成不同的颜色 。


SLA 3D打印提供了多种有机硅替代品,可用于制作类似有机硅的零件原型,甚至制造最终用途的零件。


具体材料可用性取决于打印机型号,但通常属于 30A 和 90A 邵氏硬度范围。在 Formlabs 的 SLA 3D 打印材料中,有机硅的替代材料包括:

1、弹性 50A 树脂 是一种柔软材料,适用于通常用硅胶生产的零件原型制作。这种 50A 肖氏材料非常适合弯曲、拉伸、压缩和保持重复循环而不会撕裂的零件,并快速弹回其原始形状。选择 Elastic 50A 树脂,适用于可穿戴设备(带)、可拉伸外壳和外壳、可压缩按钮或医疗保健中的软组织解剖模型等应用。

2、柔性 80A 树脂 是一种具有 80A 肖氏硬度计的硬质柔软触感材料,可模拟硬质有机硅以及橡胶或 TPU 的柔韧性。柔性 80A 树脂平衡了柔软度和强度,即使经过重复循环,也能承受弯曲、弯曲和压缩。它是原型制作应用的理想选择,如手柄、把手、包覆成型、缓冲、阻尼、减震、密封件、垫圈和面罩,或医疗保健中的软骨、肌腱和韧带解剖模型。

3、虽然略微超出有机硅材料的硬度范围,但 Rebound Resin 是一种86A肖氏弹性3D打印材料,可为最终用途应用提供独特的性能。Rebound Resin的撕裂强度是市场上其他生产级弹性体材料的五倍,拉伸强度是其三倍,伸长率是市场上其他生产级弹性材料的两倍,非常适合3D打印有弹性的零件。Rebound Resin的高伸长率使其非常适合触觉,有弹性的部件,如手柄和把手。它足够坚固,可以承受恒定的压缩或张力,非常适合制造经久耐用的复杂垫片和密封件。


New Balance shoes incorporating Rebound Resin, a silicone-like 3D printing material.

采用Rebound树脂的New Balance鞋已经投放市场并在世界各地穿着。Rebound 树脂可承受各种元素,可在各种天气条件下经受日常使用,性能优于传统材料。


有机硅的SLS材料替代品


选择性激光烧结(SLS)3D打印 是工业应用中最常见的增材制造技术。它提供了高精度、高吞吐量和几乎无限的设计自由度,因为未熔融的粉末在打印过程中支撑零件,并且无需专用支撑结构。


具有类似有机硅特性的 SLS 材料包括 TPU、TPE 和 TPA,硬度范围在 45A 和 90A 肖氏之间。确切的可用性取决于打印机型号。


对于 FormlabsFuse 系列 SLS 3D 打印机 , TPU 90A 粉末 是一种坚韧的弹性体,可生产具有无与伦比的设计自由度和易用性的弹性产品。TPU 90A Powder 平衡了高断裂伸长率和卓越的撕裂强度,使您能够生产灵活、对皮肤安全的原型和最终用途部件,以满足日常使用的需求——所有这些都以较低的单件成本实现。 TPU 90A 粉末是可穿戴设备、柔软触感元件、衬垫、阻尼器、 夹具、垫圈、密封件、鞋底、夹板、矫形器、假肢等。


采用类硅胶SLS材料生产的零件精确、耐用、耐磨,在三种塑料3D打印工艺中具有最高的耐温性。它们可以具有生物相容性、皮肤安全,并且在后处理后也是食品安全 post-processing的。不利的一面是,SLS打印提供有限的颜色和半透明选项,并且壁薄的设计可能会在冷却时翘曲。


比较有机硅 3D 打印工艺和替代方案



直接硅胶 3D 打印 (SLA) FDM 3D 打印 SLA 3D 打印 SLS 3D 打印

使用3D打印模具铸造或成型硅胶



准确性            

★★★★★

★★★ ☆☆

★★★★★

★★★★★

★★★★★


表面光洁度

            

★★★★★

★★★ ☆☆

★★★★★

★★★★ ☆

★★★★★


设计自由


★★★★ ☆

★★★ ☆☆

★★★★ ☆

★★★★★

★★★ ☆☆


易用性


★★★★ ☆

★★★ ☆☆

★★★★★

★★★★ ☆

★★★★★


材料


有机 硅

热塑性聚氨酯、热塑性聚氨酯

专有树脂

吨位、吨位、吨位

有机 硅

硬度

40A 邵氏

45A 至 90A 肖氏

30A 至 90A 肖氏

台式工业系统的起价为 24,999 美元,传统工业打印机的起价为 100,000 美元。

10A 至 80A 肖氏

价格

起价为2,499美元,与SLA 3D打印相同。

预算打印机和3D打印机套件起价为几百美元。更高质量的中档桌面打印机起价约为 2,000 美元,工业系统起价为 15,000 美元。

专业桌面打印机起价为 2,499 美元,大幅面台式打印机起价为 8,999 美元。

台式工业系统的起价为 24,999 美元,传统工业打印机的起价为 100,000 美元。

与打印机的 SLA 3D 打印相同。其他成本取决于制造工艺。

优点

使用真正的有机硅
耐用且耐磨
耐高温和耐化学腐蚀
实惠
高精度
光滑的表面光洁度
易于使用
具有生物相容性

实惠
具有生物相容性

实惠
高精度
光滑的表面光洁度
易于使用
可以是半透明和彩色的
具有生物相容性

耐用且耐磨
设计自由度
无需支撑结构
具有生物相容性

使用真正的有机硅
耐用且耐磨
耐高温和耐化学腐蚀
实惠
高精度
光滑的表面光洁度
具有生物相容性和食品安全性

缺点

有限的材料选择

精度和分辨率低
有限的设计自由度
耐用性有限
有限的材料选择

有限的材料选择
耐用性有限

有限的材料选择
粗糙的表面光洁度

劳动密集型工作流程

适用于

功能原型设计
制造助剂和工具
模具制造(软模)
最终用途零件

简单零件的原型制作

功能原型设计
模具制造(模型和硬模)

功能原型设计
最终用途零件

功能原型设计
最终用途零件


选择合适的硅胶 3D 打印工艺或替代方案


直接硅胶3D打印现在终于很容易实现,还有许多其他方法可以利用3D打印的优势来生产有机硅或类有机硅部件。


索取以硅胶 40A或 Formlabs 柔性弹性 SLA 材料打印的免费样品部件,或立即与呈形3D打印专家联系,为您的应用找到合适的解决方案。


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