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科普 | 3D打印材料之硅胶:众人期盼的3D打印硅胶到底是什么?

2021-08-24 15:09     来源:上海科普公园     3D打印
今天为大家带来的是3D打印材料系列之硅胶。

据相关数据来源,目前全球只有三家公司可以做到100%直接打印硅胶,一家是德国Wacker,一家是英国Fripp Design Research,第三家为我们国家的某企业,目前已将硅胶3D打印市场化。

现在3D打印中使用硅胶材料还处在初步阶段,如果能够打印出医用硅胶产品,必将成为一件造福人类社会的事。

先简要介绍一下硅胶材料。

硅胶材料可分为有机硅胶和无机硅胶两大类。无机硅胶是一种高活性吸附材料,通常是用硅酸钠和硫酸反应,并经老化、酸泡等一系列后处理过程而制得。无机硅胶不溶于水和任何溶剂,无毒无味,化学性质稳定,除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。在湿度为100%的条件下,它能吸附并凝结相当于其自重40%的水气,因此是一种很好的干燥剂和吸附剂。

有机硅胶是一种有机硅化合物,是指含有Si-C键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物。有机硅胶集有机物的特性与无机物的功能于一身,具有较好的耐高温和低温特性、抗辐射性以及电绝缘性。有机硅胶材料手感柔软,弹性好,外观透明,能反复进行消毒处理而不老化,且与人体接触舒适,生物相容性好。这些优点使得有机硅胶在医疗领域、航空航天、军事技术部门、电子电器等领域中可以广泛使用。

 

普遍来说,用于3D打印的硅胶材料皆为有机硅胶。

与其他高分子材料相比,有机硅胶具有以下优点。

1. 耐温特性。有机硅产品的热稳定性高,在高温条件甚至辐射条件下也不会断裂、分解。

2. 耐候性。有机硅胶在自然环境下的使用寿命可达几十年,具有比其他高分子材料更好的热稳定性以及耐辐照和耐候能力,不易被紫外光和臭氧分解。

3. 电绝缘性。有机硅胶是一种稳定的电绝缘材料,被广泛应用于电子、电气工业上。

4. 生理惰性。有机硅胶十分耐生物老化,与动物体无排异反应。

图为英国Fripp Designs于2014年研发的一款Picsima硅胶3D打印机。使用这款3D打印机可以使用成本较低的硅胶材料打印出较软的零部件,其打印出来的成品硬度可以低至邵氏硬度10A,这意味着其打印出来的成品可以达到超柔软的水平,反复拉伸也不至于断裂。


Picsima硅胶3D打印机
 


Picsima的打印成品
 

德国Wacker利用3D打印技术制作硅胶材料产品的原理与微滴喷射技术(PolyJet)相似,打印头将有机硅微液滴逐滴沉积在工作平台上,液滴彼此融合,形成均质有机硅。每打印一层有机硅,系统将立刻使用紫外光将整个有机硅层固化。通过这种方法,即可逐层打印出三维物体。


沉积有机硅微液滴


紫外光固化有机硅
 



利用有机硅胶打印的物体(图片来源:Wacker)

2016国际塑料与橡胶贸易展览会上,德国化学巨头Wacker首次展出了其最新研制的工业级硅胶3D打印机ACEO Imagine Series K。这款机器也是全球首款工业级硅胶3D打印机。


全球首款硅胶3D打印机

近日,美国佛罗里达大学(UF)开发出了一种全新的液态硅胶3D打印技术。此技术据说可以制造出更加柔软、结实,并且廉价的医用器械,如导管和植入物。此技术最独特的地方在于并非是在空气中打印,而是在一种液体中打印。这种液体是由轻质矿物油和凝胶混合而成的一种油性有机化合物,能起到支撑作用,而这正是这项技术能够成功的关键所在。


美国佛罗里达大学开发的液态硅胶3D打印技术

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