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软体机器人也能3D打印了?硅橡胶3D打印终极指南

发布时间:2023-03-08 人气:107

软体机器人也能3D打印了?硅橡胶3D打印终极指南

本文将介绍目前硅橡胶3D打印的技术原理、优缺点以及现状。

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什么是硅橡胶,为什么要3D打印硅橡胶?

有机硅橡胶3D打印(ERPro、ACEO、Carbon3D)

硅橡胶具有极佳的热稳定性、防水性以及生物相容性,这些特性使之成为了增材制造领域一直以来的理想材料。如果再加上低成本和具有极大灵活性的3D打印技术,硅橡胶将在医疗健康、电子电路等领域具有广阔的应用前景。

然而直到现在,硅橡胶仍然是难以实现3D打印的,它不像热塑性材料具有极佳的挤出性能,纯硅胶很难被熔化后重新固化,这就导致了硅橡胶不能使用常规的熔融沉积式(FFF/FDM)打印机进行打印。因此硅橡胶的制造方法长期被限制在了传统的注塑成型等方法中。

随着近5年很多公司开始进行新型3D打印系统的开发,硅橡胶3D打印技术开始发展。新型的3D打印系统采用喷头沉积(print head depositon)和立体光聚合(vat photopolymerization)等技术能够打印出可以媲美注塑成型的零件。

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有机硅材料特性

硅橡胶3D打印的耳机垫(SIL材料,Carbon Inc.)

有机硅材料指的是包含硅氧烷的聚合物,它具有多种存在形式,包括油脂、树脂和硅橡胶。

在3D打印领域,制造商们更多的兴趣点在于液态硅橡胶(LSR),LSR是一种耐极端温度和环境的稳定的弹性体。

硅橡胶的材料特性包括:

良好的热稳定性

多种硬度可供选择

极佳的防水性可作为密封材料

抗紫外线

抗氧化能力

抗压缩及抗剪切性

阻燃性

绝缘性

生物相容性

食品安全

可消毒

多种颜色及透明可选

然而实现硅橡胶3D打印还有两个必须要提的重要问题,首先,大多数适用于3D打印的液态硅橡胶包括相应的支撑材料仍处于实验室研发阶段,尚未出现成熟的商业产品;其次是很多硅橡胶3D打印工艺要求在液态硅橡胶中添加紫外线固化剂,这将削弱硅橡胶并改变其性能。

因此,除非进行3D打印的硅胶是未进行改性的纯硅胶,否则很难兼顾以上所列出的所有特性。

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硅橡胶3D打印的优势

硅橡胶的多种特性可以被认为是自身优势的一部分,但是硅橡胶3D打印也具有其特殊的优势。

快速原型制造

使用3D打印制造硅橡胶零件可以使设计者以前所未有的方式迭代原型样机,使设计者在设计研发阶段可以方便的调整CAD设计并以极低的成本重新制造原型样机。

小批量生产

3D打印可以小批量的生产硅橡胶零件而不需要高昂的开模费用。因为大部分的硅橡胶零件生产依赖于注塑成型,而金属模具(金属3D打印同样昂贵)的开模费用非常昂贵,所以使用注塑成型小批量生产几十数百个零件的情况是非常罕见的。

高定制化水平

3D打印为定制硅橡胶产品提供了可能性,硅橡胶早已广泛应用于医疗保健行业,3D打印可以个性化制造患者植入物等项目,同时也适用于其他个性化定制的产品,比如鞋垫耳机等产品。

新型几何机构的制造

在进行注塑成型等模具设计时,设计者必须在分型线、流道和装夹孔等限制下进行设计。即使考虑到增材制造也有一些特殊的设计准则,相比之下 3D打印技术也提供了更大的设计自由并且可以制造复杂的内部几何结构。比如在微流控技术中,可以使用3D打印技术制造出具有微小互联通道的硅橡胶结构,但是在注塑成型的工艺下确实难以实现的。

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硅橡胶3D打印的局限性

硬件和材料的可用性

硅橡胶3D打印的主要限制在于渠道,只有少数的公司提供真正可用于3D打印的硅橡胶,这意味着可供选择的材料有限并且成本较高。

需要添加紫外固化剂

正如上面提到的,几乎没有公司能够打印纯硅橡胶;其中的大部分公司都会在液态硅橡胶中添加紫外固化剂等成分进行改性,这将会削弱硅橡胶材料并降低最终成品部件的质量和寿命。

但是,这些改性之后的硅橡胶依然具有着许多良好的特性并且适用广泛,后处理技术也可以部分去除其中不需要的成分。

结构的局限性

领先的硅橡胶3D打印公司近年来取得了很多重大进展,但是这些材料也并非绝对的无害。即使是最先进的硅橡胶3D打印机目前的工作空间也较小并且不能很好的打印用于硅橡胶的支撑材料。

单喷头的硅橡胶3D打印机目前仅能创建较为简单的结构和不具有丰富细节及几何形状的平面。立体光固化硅橡胶3D打印技术可以部分的解决这些问题,但是其材料中需添加紫外固化剂。

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硅橡胶3D打印的工作原理

Lynxter 打印头沉积硅橡胶过程

由于硅橡胶的高粘度及耐高温性使其不适用于现有的增材制造技术,从而导致了各家公司进行开发新型的解决方案。

各家领先的硅橡胶3D打印提供商采取了不同的技术路线,但是大多数提供商都遵循两步法或三步法,包括沉积、固化或硫化以及后处理。

1.沉积

常见的3D打印技术比如熔融沉积及材料喷射技术采取打印头逐层选择性的沉积二维的形状,尽管硅橡胶无法像热塑性的长丝那样熔化后挤出,但是很多硅橡胶3D打印技术也会利用沉积技术。

例如其中的代表性厂商ACEO,部署一个打印头用来沉积多个独立的硅橡胶微液滴,这些微液滴将会融合在一起成为一个光滑的表面。

2.固化或硫化

未固化的硅橡胶处于液态或凝胶态,这种状态易于4操作但对于构建实体并不是很有帮助。因此,硅橡胶需要在每一层沉积之后进行固化、硫化或是催化(在聚合物链中形成交联)。

3.后处理

固化、硫化或催化后的硅橡胶层足以满足下一层打印的需求,但是其不足以满足整个零件的强度要求。

打印结束后的零件从打印机上取走后通常需要更长的后固化过程,例如将其放置在烤箱中,使其中的硅橡胶发生进一步的化学反应并去除一些不需要的杂质。

一些模型还需要进行去除支撑及清洗等其他的后处理过程。

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硅橡胶3D打印机的类型

沉积型

液态的硅橡胶可以通过挤出机以液滴的形式进行沉积并在每个沉积层之后进行固化。这项技术被德国瓦克化学旗下的ACEO发展完善并于2016年发布了初代硅橡胶沉积3D打印机 Imagine Series K。

ACEO采用按需滴涂技术将单个硅橡胶体素沉积在工作平台上,这些体素将会平滑的融合成均匀的表面,并在完成沉积层之后使用紫外线灯照射进行铂催化固化。支撑结构可以保持零件的稳定性,最后将完成的打印件清洗后加热固化以去除挥发性物质并获得最终的机械性能。

ACEO 按需滴涂技术

其他一些厂商则使用挤出型打印头来沉积单组分(RTV-1)或双组分(RTV-2)的硅橡胶而不需要进行紫外固化。单组分硅胶需要催化剂以及湿空气进行硫化,而双组分硅胶则需要将两种单独的组分混合到一起进行硫化(可通过双打印头实现)。

3D打印纯硅胶是可能的,然而市场上却并没有相关的机器销售。

一些低成本的硅橡胶3D打印机使用类似于3D生物打印技术将液态的硅橡胶注入到固体的空间中实现。

立体光聚合

直到现在,大多数的光固化(包括DLP和SLA)3D打印机厂商都因为硅橡胶材料打印中所面临的挑战而放弃硅橡胶材料转而使用更易于印刷的有机硅类弹性树脂来打印弹性体。

Carbon公司的CLIP工艺类似于DLP打印机原理使用紫外线在大桶液态材料中进行零件固化,但是CLIP的连续液体界面在零件和透氧窗之间形成一个不可固化的区域从而保证了固化层的硅橡胶不会粘在透氧窗上,因为无需剥离构建板,所以CLIP可以处理像硅橡胶这样非常软的材料。

Carbon CLIP 技术

瑞士的硅橡胶3D打印服务提供商Spectroplast将其硅橡胶增材制造技术描述为“类似于SLA和DLP”。

立体光聚合制造的硅橡胶零件在经过清洗并进行后固化形成交联后可提高其强度。

其他

法国的一家初创公司3Deus Dynamics正在研究一种全新的有机硅3D打印工艺被称为动态成型技术(Dynamic Molding Technology)。简单来说这种方法是将纯硅橡胶注入到一定体积的粉末中。

当打印头运动到粉末中后将绘制所需要的对象层,同时将注入硅橡胶或是其他可用于注塑技术的材料。待打印的对象将始终被粉末包围,并且不需要其他额外的支撑机构(类似于SLS打印机的情况)。

动态成型技术
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硅橡胶3D打印的产业和应用

硅橡胶3D打印可能是比较新的概念,但是其在医疗健康到机器人制造等很多领域都早已展现出了应用场景。

医疗保健

医用级硅橡胶是医疗保健行业的主要产品,被广泛应用于制造植入物、饲管、导管、呼吸面罩、助听器和容器等物品。3D打印将为硅橡胶在医疗行业的应用提供更多的可能性,尤其是在患者的个性化定制方面。

在获得了患者的解剖结构细节后,专业的医疗人员可以制造独一无二的物品,例如为患者量身定制的硅橡胶植入物以确保其贴合性。由于高昂的加工成本这种个性化的定制产品采取注塑成型是极其不现实的。

打印的硅橡胶同样非常适用于耳朵鼻子等柔软的假体,这些假体可以设计成更加适用于患者的形状。

硅橡胶3D打印还可以用于制作具有复杂的内部通道的导管比如食品输送或呼吸系统,或者用于透气性伤口敷料的制作。

牙科

3D打印技术已经广泛应用于牙科,最常见的技术是使用立体光刻和DLP技术进行液体树脂的打印,这些技术可提供很高的打印分辨率用于制造手术导板、铸造模具甚至直接制造牙科修复体等物品。

有机硅材料为牙科3D打印的应用带来了新的可能性,大多数的光敏树脂会产生坚硬的部件(Formalab提供了柔性树脂,但不建议其用于需要良好性能的地方),硅橡胶可以用于创建像牙龈模型这样的有用的柔性部件,为牙科技术人员提供更加真实的患者口腔重现性,帮助他们创建更加精确的牙科设备。

电子学

由于其出色的绝缘性能,硅橡胶经常用于制造电子产品的外壳。这种外壳可以减少震动以保护精密的部件,并且当产品需要承受明显的温度变化时,硅橡胶比成本更低的塑料更加合适。

3D打印为新的设计提供了可能性,例如为电路构建无法使用二分式模具制作的重叠通道。

软体机器人

软体机器人领域专注于构建可以模仿生物体的机器人组件并增加柔性构件的适应性,例如软体机器人构建的医疗机器人和工业抓手不会损害其作用对象。

软体机器人硅橡胶打印机的开发人员使用了多种方式制造软体机器人的原型机和最终使用的零件。同时硅橡胶是良好的电绝缘性,并且具有热稳定性使其适用于严苛的工业用途,同时其具有良好的生物相容性非常适合于制造医疗机器人。

软体机器人硅橡胶打印机

软体机器人设备通常是在研发实验室中进行开发,3D打印机可以很好的满足单次的实验性设备的制造。

工业应用

硅橡胶材料在工业中有多种应用,比如用于创建防止流体泄漏的密封件和垫片。

尽管密封件和垫片通常使用注塑成型来大量生产,但是3D打印机可以使制造商对这些产品进行不同版本的原型设计和测试以确保良好的性能。硅橡胶3D打印可以快速且低价的制造密封件和垫片原型,从而加快制造商产品上市的时间。

硅橡胶密封件和垫片对于例如汽车、船舶和医疗等其行业也有着重要的作用。

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硅橡胶3D打印服务

硅橡胶3D打印的设备目前价格高达数万美元甚至更多,因此仅限于开发人员、研究人员或大型公司才可以负担购买费用。

然而,个人或者小型企业可以上传他们的CAD设计通过硅橡胶3D打印服务订购印刷的有机硅零件。

主要的硅橡胶3D打印服务提供商:

ACEO:总部位于德国的ACEO是瓦克化学旗下的品牌,是市场上领先的硅橡胶3D打印工艺的开发商。它会在48小时内响应报价请求,并会在10天内完成生产,零件的最大尺寸为200平方厘米。

Spectroplast:位于瑞士的Spectroplast提供了立体光聚合有机硅3D打印服务,重点是生物相容性医疗部件制造。第一阶段的生产将在7天内完成生产。

Slinnov:总部位于法国的Silinnov使用Lynxter 3D打印机提供沉积式硅橡胶3D打印服务。与同类服务相比,它可以制造更大的零件,最大⌀390mm x 600 mm。

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间接硅橡胶3D打印:硅橡胶模塑制造

使用3D打印母版制作硅橡胶模具

在直接硅橡胶3D打印技术取得重大突破之前,依然可以使用3D打印制造高质量的硅橡胶零件——通过3D打印模具并向其填充或注入液态硅橡胶。

这种方法相比于直接进行硅橡胶3D打印步骤更多、速度更慢,但是却更加容易实现。

要创建适合用硅橡胶成型的3D打印模具必须,必须翻转和调整零件的CAD设计,形成一个液体硅树脂可以流入的腔体。模具通常需要分型线、浇口、定位孔和夹紧孔等结构。

像ABS这样的耐热3D打印材料可以制作很好的模具,因为它需要承受70 °C左右的固化过程。模具打印好并准备就绪后将脱模剂喷到内部,然后将液态硅橡胶倒入模具中,等待大约一个半小时便可固化。

另外,硅橡胶也可以用作模具本身的材料,使用任何材料3D打印一个零件的母版然后将其浸入到液体的硅橡胶中,就可以使硅橡胶模具适合复制已打印的母版。硅橡胶的柔韧性使其易于从模具内脱模固体或成型零件。

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常见问题

硅橡胶3D打印机的价格?

大多数专用的硅橡胶3D打印机的成本高达3万美元,有的甚至高达15万美元。市场领先的ACEO开发的3D打印机则一般无法购买。

为什么不使用廉价的柔性3D打印耗材代替硅橡胶?

像TPE和TPU等3D打印的热塑性塑料具有许多良好的性能,例如良好的冲击强度、抗撕裂性和减震性,适用于很多场景。但是硅橡胶材料具有更高的弹性和许多其他的特性。

硅橡胶3D打印比使用注塑成型制造模具更便宜吗?

具硅橡胶3D打印服务商Spectroplast估算,在生产量低于6000件时使用硅橡胶3D打印更便宜,此后注塑成型变得更便宜。

硅橡胶3D打印和注塑成型制造成本比较

   

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