德国重点研究硅胶3D打印密封件制造究竟为何？

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AM易道在周末看到了Fraunhofer正在计划研究硅胶3D打印的密封件制造。

直觉告诉我们，这不是一个小事。

在制造业的汪洋大海中，密封件虽不起眼但绝对不可或缺，无处不在，它决定着很多系统的可靠性和安全性。

上图来自Fraunholfer

上图是lynxter公司硅胶3D打印的密封件图片，不是Fraunholfer本次的研究成果。

然而，传统密封件制造长期以来面临着一个难解的矛盾：

高昂的模具成本与日益增长的个性化需求之间的巨大鸿沟。

Fraunhofer IAPT的这项研究似乎是想通过3D打印来解决这一痛点。

据其官网有限的信息，此研究采用了创新的众筹参与模式，但开放式的研究模式究竟是和谁组队，如何众筹，完全没有披露。

但其研究的核心任务是全方位验证增材制造硅胶密封件的工业级性能，这包括深入的材料特性分析、严格的表面质量控制以及全面的功能性测试。

重点关注三个关键指标：材料的机械性能和化学稳定性、表面粗糙度与功能性的关系，以及硬软连接的新可能性。

这些指标直接决定着密封件的实际应用效果。AM易道将关注其10个月后的成果。

也希望国内有类似硅胶3D打印密封件研究团队给AM易道私信留言，分享相关研究思考。

揭秘硅胶3D打印：从分子结构到工业应用

在深入技术细节之前，我们需要了解这个神奇材料的本质。

想象一下有一条由硅原子和氧原子组成的项链（硅原子、氧原子和有机基团构成的聚合物链），这就是硅胶的基本结构。

项链里的硅原子和氧原子之间的连接特别灵活（硅-氧键之间的高度灵活性），就像装了精密关节一样，可以自由弯曲和扭转。

这就是硅胶能够轻易变形的秘密。

据这些分子链的编织方式不同，硅胶可以呈现出多种形态：

可以是流动的油状物, 可以是柔软的凝胶（想想你按压自行车座垫的感觉）,还可以是富有弹性的橡胶（类似于橡皮筋）。

具体来看，在3D打印领域，最受欢迎的材料是三位明星选手：

RTV1：它最大的特点是遇到空气就会变硬。想象一下，就像是遇到空气就会干的胶水。

电子元器件密封常用：

RTV2：需要两种成分混合后才能成为硅胶产品。

它的特别之处在于不需要高温，在常温下就能完成聚合。

大家可能见的比较多，大部分硅胶翻模、覆膜都是用这种材料：

HTV：需要在高温高压环境（硫化）下才能发挥作用，打印的产品特别适合制作要求高强度的工业产品。

比如假肢内衬：

比如大量的密封件都是这种材料：

硅胶3D打印技术的常见技术路线解析

在硅胶3D打印的技术演进中，形成了四种各具特色的技术路线。

材料喷射固化3D打印

当我们谈到材料喷射技术，就不得不提到2016年。

德国化工巨头Wacker化学的ACEO部门一举推出了全球首个100%硅胶3D打印技术。

技术简单来说，是成千上万个微小的硅胶液滴，在精密系统的操控下，一滴一滴精确地落在预定位置。

每一滴硅胶随即在紫外光下快速固化，最终编织成具有完美力学性能的整体结构。

从Wacker公开图片来看，他们也在密封件打印做了大量工作。

液态硅胶挤出3D打印

液态增材制造技术像是水彩笔画画，画笔由高精度体积计量泵和压缩空气系统组成。

在打印过程中，液态硅胶材料被精确地输送到喷头，精准挤出。

以innovatiQ的LiQ 5打印机为代表，这项技术通过主动加热的构建腔体，展现了对液态硅胶橡胶(LSR)的掌控。

若对于双组分材料（如RTV2），两种液态在静态混合器中相遇，混合后挤出才能达到需要材料的性能。

混合的难题在于确保材料在沉积时保持适当的流动性，随后迅速达到理想粘度维持形状，最终在特定温度下完成交联固化。这种双组分的案例典型来自于Lynxter公司的双打印头混合系统。

高粘稠材料挤出3D打印技术

比起前面的液体挤出，虽然都是挤出，高稠度的硅胶材料（和橡皮泥差不多）需要不同的挤出系统。

其实这种挤出成型方式与狭义3D打印略有不同。

挤出时长这样：

这个系统需要施加相当大的压力，就像在挤压一管特别粘稠的牙膏。

这个对应的材料前面说过，是专注于HTV（高温硫化）材料的挤出。

硫化后效果很好：

这种工艺的独特之处在于它的热过程：

材料在挤出后需要经过精确控制的高温环境，促使分子链之间形成更紧密的交联网络。

这种技术路线尤其适合那些需要高强度、高耐久性的工业级产品，如密封圈和电缆保护套。

动态模塑技术：在粉末中3D打印

法国初创公司3Deus Dynamics开创了不一样的硅胶3D打印方法。

在粉末床中，一个特制的打印头来回穿梭，挤出柔软的硅胶材料后固化。

这种被称为动态模塑技术（Dynamic Molding Technology）的创新工艺，算是一种多步骤复合的硅胶3D打印。

这项技术的独特之处在于它巧妙地利用粉末床作为天然的支撑系统。

所以这个过程不需要任何额外的支撑结构，因为整个打印零件都被粉末包裹。

这种方法不仅适用于硅胶，还可以处理任何适合注塑成型的材料，展现出令人兴奋的应用前景。

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跨界应用：从工业到医疗的深度渗透

硅胶3D打印技术的应用优势在于其材料特性与制造灵活性的完美结合：

硅胶优异的温度耐受性（从-50℃到250℃）、卓越的化学稳定性、以及与人体组织相近的触感，与增材制造的个性化定制能力相得益彰。

在医疗器械领域，从缝合训练用的模拟组织，到完全定制的矫形假肢，再到精确贴合的造口袋垫圈，这项技术正在为患者带来新的个性化医疗体验。

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特别是在矫形器件领域，3D打印技术让医生能够根据患者的具体情况快速调整设计，无需反复制作新的模具，大大提升了治疗效果和患者体验。

这种技术的一个重要突破在于生物相容性认证。

部分硅胶材料已经通过了ISO 10993-5认证，这意味着它们可以安全地用于人体接触，甚至是食品接触的场景。这一认证为医疗应用扫清了重要的监管障碍。

在工业应用领域，Schneider Electric的柔性机器人抓手项目就是一个典型案例。

这种创新性的抓手将硅胶的柔韧性与精确的力控制完美结合，能够安全地抓取各种精密零件而不造成损伤。

现在大火的人形机器人领域，大家还都在关注用金属3D打印优化身体架构时，或许我们更应该关注这类硅胶3D打印用于高端机械手的开发潜力。

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各类夹持器也是需求很多：

在表面处理领域，3D打印硅胶遮蔽件正在改变传统工艺流程，不仅能够精确控制涂层区域，还能大大提高生产效率。

在纺织领域，硅胶3D打印正在开创一个全新的创新天地。

通过直接在织物表面打印硅胶图案，设计师们不仅能够创造独特的视觉效果，还能赋予织物各种功能特性。

从运动服装的防滑设计到时尚产品的创意表达，这项技术正在重新定义纺织品的可能性。

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密封件市场的洞察

相比于前面提到的应用针对不同行业，硅胶密封件是无处不在的。

从机械工程到化工，从汽车到航空航天，几乎所有工业领域都离不开高质量的密封解决方案。

传统的密封件制造主要依赖模具成型，这种方式在大批量生产时确实具有成本优势，但同时也带来了一系列难以回避的问题。

模具开发周期长且成本高昂。

一套完整的密封件模具开发往往需要数周时间，动辄数万元的投入。

这对于需要快速响应市场的企业来说是一个严重的制约。

传统工艺在几何形状方面存在明显局限，难以实现空心结构或复杂的内部构造，这限制了产品的优化空间。

硅胶3D打印技术的出现为这些挑战提供了创新解决方案。

但Fraunholfer的研究成果尚未披露，AM易道将持续关注。

也希望国内研究团队能够结合产业需求跟进这一研究。

市场前景：增长与机遇并存

根据Precision Business Insight的最新研究，硅胶3D打印市场展现出惊人的增长潜力。

2021年，这个市场的规模已达到15.903亿美元，预计到2028年将保持19.9%的年复合增长率。

在材料科学的突破推动下，硅胶3D打印技术正在开辟全新的应用领域。

一个研究是其在极端环境下的出色表现：

实验证明，3D打印的RTV2硅胶在接触丙酮等强溶剂时，展现出远超传统TPU材料的化学稳定性。

比如上图，丙酮中的TPU和RTV2硅胶一开始尺寸都是相同的。

一段时间后，TPU变形严重：

而硅胶还很稳定：

这种卓越的耐受性为其在高端工业应用中开辟了广阔空间。

还有设备技术的革新。类似前面提到的双组分挤出，配合专门开发的水溶性支撑材料，边可以增加挤出制造复杂结构的可能。

AM易道最后聊两句

3D打印业内似乎一直都很清楚硅胶3D打印未来是个大市场大方向。

但大家似乎都逐渐遗忘，并且很少有人潜下心来彻底解决硅胶3D打印的掣肘难题。

比如材料选择的范围、如何根据材料不同的固化方式适配不同的3D打印成型方式、如何更精准、如何打印大尺寸硅胶件。

AM易道认为硅胶3D打印（纯粹的硅胶而不是其他软性材料替代，比如文中提到的TPU）是一个有巨大发展空间，而我国业界选择性遗忘的超级蓝海。

AM易道希望我国企业或团队能在硅胶3D打印领域横空出世，打造产业级增材方案，欢迎有关研究团队联系我们。