有机硅增材制造：基于挤出的增材制造方法和工艺

导读：时至今日，增材制造不仅能够用于原型制作，还在预系列制造和系列零件制造方面具有巨大潜力。对于3D打印组件，材料特性至关重要。

在这个领域，3D打印部件只有在具有相同机械和化学特性的情况下才能与传统制造的部件竞争。生物相容性、耐热性、高弹性等需求，使有机硅在许多应用中不可或缺。因此，人们期待将增材制造的优势与硅等材料相结合。然而，有机硅的增材制造过程并不简单。本文列举了各种基于挤出的方法和过程，详细地展示了不同交联机制以及各自的优缺点。

△德国RepRap液体硅胶3D打印机L320

硅胶 3D 打印：基于挤出的工艺

挤出工艺的一个决定性优势是可加工的液体和糊状物种类繁多，包括几乎所有类型的聚硅氧烷：从低粘度到高粘度，从RTV(R oom T emperature V ulcanization) 至标准LSR (L iquid Silicone R ubber) UV固化和颗粒填充的硅氧烷。挤出制造过程非常类似于FLM的 ( F used L ayer M odeling) 打印，通过打印头挤出材料并逐层沉积。两组分LSRs和RTV有机硅工艺将在以下展开。LSR需要热能进行交联，而RTV有机硅可以在室温下反应。

△液体增材制造（LAM）工艺有点像FDM，是一种材料挤出技术。每层都经过挤压，但与FFF和FDM等方法又不同，因为原料在该过程中不会熔化。相反，LAM材料在沉积时是液体，通过热暴露对液体进行硫化，使材料热固化交联，这种工艺使得材料能够保持机械性能，产生很多新应用。LAM 3D打印可以使组件具有与注塑件几乎相同的特性，在医疗、鞋类及柔性材料方面，具有较高的应用价值。

交联LSR

硅胶打印涉及液体材料。因此，决定性的工艺参数是有机硅的尺寸稳定性和交联。同样重要的是成品有机硅的强度只能通过材料的化学反应来实现，例如通过加聚或缩聚。基本上，LSR有机硅在不同交联时间之间存在区别：生产过程中的交联和加工后或后加工过程中的交联。

生产过程中的交联：

• 加热构建平台：增材制造机器中的热床能够提供热交联能量。根据有机硅的反应时间，可以在加热的热床上挤出后几秒钟内发生交联。
  

然而，这个过程有一个决定性的缺点：温度分布随着部件的高度而变化。这是因为层离构建平台越远，提供的热能就越少。这意味着对于多层组件而言，很难实现可靠且恒定的工艺。经验表明，使用热床系统制造大于2到3厘米的组件已不再可行。

• 逐层交联：从上方对各个组件进行热量输入可以实现任意数量的层均匀交联。在打印过程中直接加热，因此组件在打印后可立即使用。这种方法需要额外的热源，例如红外线灯。而且强度和曝光时间必须适应相应层，这使整个制造过程变得更加昂贵和复杂。
  

后处理中的交联：

另一种方法是利用材料的流变特性，使用具有在挤出后能够保持其形状的有机硅。这可以通过有机硅的高粘度或高触变性或两者的组合来实现。由LSR有机硅制成的成品部件在后处理阶段放入烘箱中，并在适当的温度下进行交联，同时热量输入不得导致部件发生任何变形。在这个过程中，不需要在打印过程中使用额外的设备提供热量。

支撑材料

对于悬垂或桥接（闭合轮廓）结构，必须构建支撑结构进行制造。这种支撑材料应在制造过程中粘附在有机硅上，并在交联过程中承受热条件。之后，它必须很容易从成品部件上拆下。然而，为每种硅胶寻找合适的支撑材料是一项挑战，并且构建支撑结构需要在制造过程使用额外的材料和时间。

RTV：在水凝胶内制造

但是有一个过程可以在不使用支撑结构的情况下实现设计自由：在不同的材料中制造。为此，可以利用长针将硅树脂挤出到装有“支撑材料”的容器中。这种支持材料可以是例如粉末或水凝胶。过程如图所示：

△硅胶3D打印：水凝胶内的制造过程

在第一步中，将硅胶（橙色）挤出到支撑材料中（蓝色），挤出的股线由周围材料固定。在形成所需结构并且硅酮交联后，可以用镊子从材料中取出组件。最后，去除或简单地洗掉支撑材料的残留物。RTV有机硅特别适用该工艺，因为它们会在很短的时间（30到60分钟）后交联。移除组件后，支撑材料可以再次使用。

△由硅胶制成的DNA结构，作为水凝胶中的3D打印组件制造。

这种方法的最大优点是设计自由度高。既不受太陡峭的悬垂限制，也不受桥接的限制。比如图中的DNA双螺旋结构，它是用0.3毫米针打印的。迄今为止，使用其他工艺很难完成螺旋之间的细连接。然而，这种技术的缺点是需要大量的支撑材料制造较大的组件，并且LSR材料通常是不可能使用这种工艺进行制造的。

总结——硅胶3D打印

由于基于挤出的制造工艺种类繁多，几乎所有组件都可以用硅胶生产。根据所需的几何形状和硅胶类型，可以选用适当的工艺，成功制造过程的基础和标准始终是精确且可重复地分配有机硅。然而，硅胶3D打印的潜力还远未耗尽。特别是新工艺的使用，例如新型支撑材料（如水凝胶），南极熊相信更多全新的设计仍在路上。

参考阅读：

1. Additive manufacturing with silicone: Extrusion-basedadditive manufacturing methods and processes
2. 3D printing of Standard Materials
3. 德国RepRap推出新型液体硅胶3D打印机L320