有機(jī)硅增材制造：基于擠出的增材制造方法和工藝

導(dǎo)讀：時至今日，增材制造不僅能夠用于原型制作,，還在預(yù)系列制造和系列零件制造方面具有巨大潛力,。對于3D打印組件，材料特性至關(guān)重要,。

在這個領(lǐng)域,，3D打印部件只有在具有相同機(jī)械和化學(xué)特性的情況下才能與傳統(tǒng)制造的部件競爭。生物相容性,、耐熱性,、高彈性等需求，使有機(jī)硅在許多應(yīng)用中不可或缺,。因此,，人們期待將增材制造的優(yōu)勢與硅等材料相結(jié)合。然而,，有機(jī)硅的增材制造過程并不簡單,。本文列舉了各種基于擠出的方法和過程，詳細(xì)地展示了不同交聯(lián)機(jī)制以及各自的優(yōu)缺點(diǎn),。

△德國RepRap液體硅膠3D打印機(jī)L320

硅膠 3D 打�,。夯�于擠出的工藝

擠出工藝的一個決定性優(yōu)勢是可加工的液體和糊狀物種類繁多，包括幾乎所有類型的聚硅氧烷：從低粘度到高粘度,，從RTV(R oom T emperature V ulcanization) 至標(biāo)準(zhǔn)LSR (L iquid Silicone R ubber) UV固化和顆粒填充的硅氧烷,。擠出制造過程非常類似于FLM的 ( F used L ayer M odeling) 打印，通過打印頭擠出材料并逐層沉積,。兩組分LSRs和RTV有機(jī)硅工藝將在以下展開,。LSR需要熱能進(jìn)行交聯(lián)，而RTV有機(jī)硅可以在室溫下反應(yīng),。

△液體增材制造（LAM）工藝有點(diǎn)像FDM,，是一種材料擠出技術(shù),。每層都經(jīng)過擠壓，但與FFF和FDM等方法又不同,，因?yàn)樵�料在該過程中不會熔化,。相反，LAM材料在沉積時是液體,，通過熱暴露對液體進(jìn)行硫化，使材料熱固化交聯(lián),，這種工藝使得材料能夠保持機(jī)械性能,，產(chǎn)生很多新應(yīng)用。LAM 3D打印可以使組件具有與注塑件幾乎相同的特性,，在醫(yī)療,、鞋類及柔性材料方面，具有較高的應(yīng)用價值,。

交聯(lián)LSR

硅膠打印涉及液體材料,。因此，決定性的工藝參數(shù)是有機(jī)硅的尺寸穩(wěn)定性和交聯(lián),。同樣重要的是成品有機(jī)硅的強(qiáng)度只能通過材料的化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn),，例如通過加聚或縮聚�,；�本��,，LSR有機(jī)硅在不同交聯(lián)時間之間存在區(qū)別：生產(chǎn)過程中的交聯(lián)和加工后或后加工過程中的交聯(lián)。

生產(chǎn)過程中的交聯(lián)：

• 加熱構(gòu)建平臺：增材制造機(jī)器中的熱床能夠提供熱交聯(lián)能量,。根據(jù)有機(jī)硅的反應(yīng)時間,，可以在加熱的熱床上擠出后幾秒鐘內(nèi)發(fā)生交聯(lián)。
  

然而,，這個過程有一個決定性的缺點(diǎn)：溫度分布隨著部件的高度而變化,。這是因?yàn)閷与x構(gòu)建平臺越遠(yuǎn)，提供的熱能就越少,。這意味著對于多層組件而言,，很難實(shí)現(xiàn)可靠且恒定的工藝。經(jīng)驗(yàn)表明,，使用熱床系統(tǒng)制造大于2到3厘米的組件已不再可行,。

• 逐層交聯(lián)：從上方對各個組件進(jìn)行熱量輸入可以實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量的層均勻交聯(lián)。在打印過程中直接加熱,，因此組件在打印后可立即使用,。這種方法需要額外的熱源，例如紅外線燈,。而且強(qiáng)度和曝光時間必須適應(yīng)相應(yīng)層,，這使整個制造過程變得更加昂貴和復(fù)雜,。
  

后處理中的交聯(lián)：

另一種方法是利用材料的流變特性，使用具有在擠出后能夠保持其形狀的有機(jī)硅,。這可以通過有機(jī)硅的高粘度或高觸變性或兩者的組合來實(shí)現(xiàn),。由LSR有機(jī)硅制成的成品部件在后處理階段放入烘箱中，并在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行交聯(lián),，同時熱量輸入不得導(dǎo)致部件發(fā)生任何變形,。在這個過程中，不需要在打印過程中使用額外的設(shè)備提供熱量,。

支撐材料

對于懸垂或橋接（閉合輪廓）結(jié)構(gòu),，必須構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造。這種支撐材料應(yīng)在制造過程中粘附在有機(jī)硅上,，并在交聯(lián)過程中承受熱條件,。之后，它必須很容易從成品部件上拆下,。然而,，為每種硅膠尋找合適的支撐材料是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，并且構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)需要在制造過程使用額外的材料和時間,。

RTV：在水凝膠內(nèi)制造

但是有一個過程可以在不使用支撐結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自由：在不同的材料中制造,。為此，可以利用長針將硅樹脂擠出到裝有“支撐材料”的容器中,。這種支持材料可以是例如粉末或水凝膠,。過程如圖所示：

△硅膠3D打�,。核�凝膠內(nèi)的制造過程

在第一步中,，將硅膠（橙色）擠出到支撐材料中（藍(lán)色），擠出的股線由周圍材料固定,。在形成所需結(jié)構(gòu)并且硅酮交聯(lián)后,，可以用鑷子從材料中取出組件。最后,，去除或簡單地洗掉支撐材料的殘留物,。RTV有機(jī)硅特別適用該工藝，因?yàn)樗鼈儠�在很短的時間（30到60分鐘）后交聯(lián),。移除組件后,，支撐材料可以再次使用。

△由硅膠制成的DNA結(jié)構(gòu),，作為水凝膠中的3D打印組件制造。

這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)自由度高,。既不受太陡峭的懸垂限制,，也不受橋接的限制,。比如圖中的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，它是用0.3毫米針打印的,。迄今為止,，使用其他工藝很難完成螺旋之間的細(xì)連接。然而,，這種技術(shù)的缺點(diǎn)是需要大量的支撐材料制造較大的組件,，并且LSR材料通常是不可能使用這種工藝進(jìn)行制造的。

總結(jié)——硅膠3D打印

由于基于擠出的制造工藝種類繁多,，幾乎所有組件都可以用硅膠生產(chǎn),。根據(jù)所需的幾何形狀和硅膠類型，可以選用適當(dāng)?shù)墓に�,，成功制造過程的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)始終是精確且可重復(fù)地分配有機(jī)硅。然而,，硅膠3D打印的潛力還遠(yuǎn)未耗盡,。特別是新工藝的使用，例如新型支撐材料（如水凝膠）,，南極熊相信更多全新的設(shè)計(jì)仍在路上,。

參考閱讀：

1. Additive manufacturing with silicone: Extrusion-basedadditive manufacturing methods and processes
2. 3D printing of Standard Materials
3. 德國RepRap推出新型液體硅膠3D打印機(jī)L320