您能使用硅胶进行 3D 打印吗？最佳硅胶 3D 打印机和替代方案

硅胶是一种合成橡胶，它的一些制造特性很具有吸引力。其化学结构具有极佳的多样性，可通过调整化学式来使其适合密封件、接头、可穿戴设备、医疗器械、机器人抓手、烹饪器具、隔热和绝缘等多种不同的工业应用。

如今，大多数硅胶产品都是通过注射成型、压缩成型或铸造等方式制成的。随着 3D 打印技术不断进步，很多人发出了这样的疑问：“我们能使用 3D 打印制作硅胶部件吗？” 答案是肯定的！

硅胶的粘度很高，因此很难精确地进行 3D 打印。它不能像光敏聚合物材料一样支持加热、挤压或紫外光固化。这意味着 3D 打印硅胶的普及性不如其他材料，但现在市场上终于迎来了首款具有实用价值的解决方案。有许多 3D 打印工艺支持使用性质与硅胶类似的 3D 打印材料，并且还可使用 3D 打印技术来制作硅胶部件成型模具，从而为传统的硅胶制造方法增添了许多 3D 打印的优势。

在本篇综合指南中，您将了解到各种硅胶 3D 打印选项及其替代方案，以及如何利用增材制造为传统硅胶制造工艺提供支持。

我们可将硅胶 3D 打印机及其替代方案分为以下三类：

1. 直接硅胶 3D 打印：使用纯硅胶材料的硅胶 3D 打印机。

2. 使用类硅胶材料进行 3D 打印：常见聚合物 3D 打印工艺支持多种具有类硅胶材料特性的材料，可以作为某些应用的备选。 

3. 使用 3D 打印模具铸造或成型硅胶：使用 3D 打印快速模具制作可以弥合传统制造方法在原型制造和大规模生产硅胶部件之间的差距。

虽然大多数 3D 打印技术已经存在多年甚至数十年，但由于硅胶打印的复杂性，硅胶 3D 打印机长期以来仍然处于实验摸索阶段。在过去几年里，一些公司已经将硅胶 3D 打印机推向市场，但这些解决方案都有一定的局限性，而且价格昂贵（超过 10 万美元），这意味着它们并不适合大多数的企业与应用。

2023 年，Formlabs 推出 Silicone 40A Resin（硅胶 40A 树脂），这是市面上首款搭载待批专利纯硅胶技术™ (Pure Silicone Technology™) 的纯硅胶 3D 打印材料，它融合了铸造硅胶的优异材料特性与 3D 打印的优势。

该解决方案基于价格合理（起价为 2499 美元）且功能丰富（超过 45 种先进材料可选）的 Form 3+ 立体光刻 (SLA) 3D 打印生态圈，只需数小时即可在企业内部生产出纯硅胶部件。

Silicone 40A Resin 部件具有 40A 邵氏硬度、230% 的断裂伸长率和 12kN/m 的抗撕裂强度，非常适合有极高柔韧性和耐用性要求的应用，即使在反复拉伸、弯曲或压缩的情况下也能保持良好的性能。Silicone 40A Resin 部件还具有 34% 的回弹弹性，优异的耐化学腐蚀性和耐高温性（-25°C 至 125°C），并且可以实现最小分辨率为 0.3mm 的精细特征和复杂形状，这些特征在传统制造方法中难以实现。

Silicone 40A Resin 部件是以下应用的理想之选： 

• 弹性消费品、汽车组件和工业设备（例如连接器、索环、执行器、按键和表带）产品开发周期中的快速原型制造、测试和验证阶段。
• 在内部以经济高效的方式小批量制造或定制加工成品部件，例如密封件和垫圈。
• 可长期使用的高质量定制制造辅助工具和模具，例如柔性铸造模具、夹具、固定装置和遮蔽工具。
• 医疗器械组件、患者定制义肢和听力学应用。
• 使用传统方法难以制造的几何形状复杂的部件。

FINIS, Inc. 的产品开发团队使用 3D 打印技术，在仅仅 8 个小时内生产出质量可媲美聚氨酯铸造的泳镜垫圈，而单件成本仅为 10 美元，大大缩短了时间并降低了成本，而外包聚氨酯铸造通常需要 1000 美元以上的费用和三周的时间。这些 3D 打印的硅胶垫圈在实际游泳池中进行了严格的防水性评估，帮助团队缩短了产品开发进度。

Dorman Products 已经开始使用硅胶 3D 打印技术来生产用于新产品压力测试的定制垫圈。以前，他们使用金属模具在压床上切割垫圈，采用 3D 打印技术后，团队能够大幅缩短生产周期并降低成本，特别是考虑到他们需要测试数百个新组件的情况，效益非常可观。

HGM Automotive Electronics 是一家专业的传动控制器制造商，通过严格的化学和机械测试，他们证明了使用 Silicone 40A Resin 打印的部件具有出色的机械性能和耐化学腐蚀性，与传统的注射成型硅胶类似。在正常工作条件下的发动机舱内经过六周的热循环测试，以及额外的化学液体接触测试后，他们证实 3D 打印的 Silicone 40A Resin 部件符合汽车产品部件的要求。

硅胶兼具弹性和柔韧性，且应用广泛，因此备受制造商青睐。

硅胶的邵氏硬度介于 10A 与 80A 之间。在此硬度范围内，熔融沉积成型 (FDM)、立体光刻 (SLA) 和选择性激光烧结 (SLS) 等常见的聚合物 3D 打印工艺可支持多种材料，在其他重要材料性能方面，这些材料与硅胶也具有不同程度的相似性，其中包括耐久性、热稳定性、抗紫外线性、食品安全性、生物相容性以及颜色和半透明选项等等。

对于 FDM 3D 打印，热塑性聚氨酯 (TPU) 和热塑性弹性体 (TPE) 等弹性体堪称最柔韧的材料，可作为硅胶的替代材料。市面上的此类材料可提供范围介于 45A 和 90A 之间的邵氏硬度，涵盖了硅胶硬度范围中较硬的部分。

这些替代方案的优势在于 FDM 3D 打印机和相关材料普遍不算昂贵。而与之相对的缺点则包括较低的准确性和尺寸精度、较低的分辨率、质量和部件强度，以及有限的设计自由度，这些问题限制了此类材料的实际应用。类硅胶 FDM 材料通常不如标准硅胶耐用，不具备食品安全性，耐高温性较差，颜色选择有限，且没有真正的半透明选项，但它们具有生物相容性并可安全接触皮肤。

立体光刻 3D 打印因其高精度和种类繁多的材料选择而受到专业人士的欢迎。SLA 3D 打印可为硅胶提供多种替代材料，以便制造商能够制造出类硅胶的原型部件，甚至制造的成品部件能够具有硅胶的柔韧性、弹性和耐用性。SLA 部件可提供最光滑的表面光洁度以及比 FDM 更高的设计自由度。

类硅胶柔性 3D 打印树脂通常也不如标准硅胶耐用，不具备食品安全性，无生物相容性（但可以安全接触皮肤），且耐高温性较差。类硅胶 SLA 材料可为半透明状，也可染成不同的颜色。

具体材料的可用性取决于打印机型号，但其邵氏硬度通常在 30A 至 90A 范围内。在 Formlabs 的 SLA 3D 打印材料中，硅胶的替代材料包括：

• Elastic 50A Resin 是一种柔软的材料，适用于通常用硅胶制作的部件原型。该材料的邵氏硬度为 50A，用于制作可弯曲、拉伸、压缩和承受重复循环而不会撕裂的部件，并能快速回弹至其原始形状。选择 Elastic 50A Resin 用于制作可穿戴设备（背带）、可伸缩外壳和外套、可压缩按钮或医疗保健中的软组织解剖模型。

• Flexible 80A Resin 是一种触感柔软的刚性材料，其邵氏硬度为 80A，用于模拟硬质硅胶以及橡胶或 TPU 的柔韧性。Flexible 80A Resin 兼具柔软性与强度，能够反复承受弯折、挠曲和压缩。适用于制作手柄、握把、二次成型模具、缓冲器、阻尼、减震、密封件、垫圈和面罩，或是医疗保健中软骨、肌腱和韧带解剖模型等应用的原型。

• Rebound Resin 是一种邵氏硬度为 86A（虽然略高于硅胶材料的硬度范围）的弹性 3D 打印材料，可面向最终应用提供独特的性能。Rebound Resin 的抗撕裂强度、拉伸强度和伸长率分别是市场上其他生产级弹性材料的五倍、三倍和两倍，堪称 3D 打印弹性部件的理想之选。Rebound Resin 具有高延伸率，因此十分适合制造有触感要求的弹性部件，例如把手和手柄等。该材料的强度足以承受持续的压力或张力，非常适合制造经久耐用的复杂垫圈和密封件。

选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印是工业应用中最常见的增材制造技术。该技术可提供高精度、高产量和几乎无限的设计自由度，因为在打印过程中，未熔合的粉末可以支撑部件，不再需要专用支撑结构。

具有类硅胶性能的 SLS 材料包括 TPU、TPE 和 TPA，其邵氏硬度范围介于 45A 和 90A 之间。确切的可用性将取决于打印机型号。

对于 Formlabs Fuse 系列 SLS 3D 打印机而言，TPU 90A Powder 是一种坚韧的弹性体，能够以无与伦比的设计自由度和便利性生产弹性产品。TPU 90A Powder 兼具高断裂伸长率和卓越的抗撕裂强度，可用于以较低的单件成本生产可安全接触皮肤的柔性原型，以及能够满足日常使用需求的成品部件。TPU 90A Powder 非常适合以下产品的原型制造和成品部件生产，包括可穿戴设备、触感柔软的元件、衬垫、减震器、夹持器、垫圈、密封件、鞋底、夹板、矫形器、义肢等。

使用类硅胶 SLS 材料生产的部件精确、耐用、耐磨，并且具有三种塑料 3D 打印工艺中最出色的耐高温性能。这些部件具有生物相容性，可安全接触皮肤，在后处理后也具有食品安全性。SLS 打印的缺点是颜色选择有限、无半透明选项，以及在冷却时薄壁设计可能会出现翘曲。

如果希望生产性能（硬度、颜色等）出众的纯硅胶部件，3D 打印技术还有助于弥合传统制造方法在原型制造和大规模生产硅胶部件之间的差距。

注射成型、热压成型、压缩成型和硅胶铸造均可利用模具来制造成品硅胶产品。然而，制作模具会带来高昂的前期成本，且服务提供商的周转时间长达数周或数月，因而会降低产品开发速度和延长产品上市时间。

将内部快速模具制作整合到产品开发流程，能够使企业在批量生产之前验证设计和材料选择，并以一种经济实惠的方式来生产定制或小批量成品部件。

在工厂进行初始工具调整的过程中，谷歌 Advanced Technology and Projects (ATAP) 团队使用了 3D 打印替代品或替代部件，以代替利用二次成型来制造电子子组件的方式。通过将 3D 打印和嵌件成型相结合，他们将成本削减了 10 万美元以上，并将测试周期从三周缩短为三天。谷歌 ATAP 的团队发现，通过 3D 打印测试部件，他们无需继续使用由供应商寄来的昂贵电子部件，从而可以有效节省时间和成本。

Dame Products 是一家总部位于布鲁克林的初创公司，专门为健康和保健行业设计产品。他们使用硅胶嵌件成型来封装客户测试原型的内部硬件。Dame Products 产品系列采用复杂的人体工程学几何结构，并完全封装在一层色彩鲜明且对皮肤无害的硅胶中。

硅胶嵌件成型也是制造小批量成品部件的理想选择。先进的义肢制造商 Psyonic 使用该工艺为义肢制作手指，其内部为硬质 3D 打印骨骼，外层包覆硅胶，而机器人制造商 RightHand Robotics 使用相同的工艺为机器人制作抓手夹具。

面向压缩成型的 3D 打印快速模具制作可用于生产热塑性塑料、硅胶、橡胶和复合材料部件。厨房电器制造商 OXO 的产品开发人员利用 3D 打印技术，通过 3D 打印模具压缩成型的两片式硅胶来制作橡胶组件（如垫圈）的原型。

对于面向医疗器械、听力学和食品安全等应用的硅胶和塑料部件而言，铸造也是一种热门的制造方法。

医疗器械公司 Cosm 可针对患有盆腔疾病的特定患者生产子宫托。他们使用 SLA 3D 打印机打印出模具，然后将具有生物相容性的医用级硅胶注入其中以制造部件。凭借采用 3D 打印技术的快速模具制作，他们能够以远低于传统模具制作的成本来制作定制部件。

此外，用 3D 打印技术制造定制耳模的做法也彻底颠覆了听力学领域，并已广泛用于助听器、防噪耳塞和定制耳机等应用。与传统模具生产相比，数字制造可以实现更好的控制和精度，从而大幅减少错误和返工。

硅胶铸造也用于娱乐行业。Jaco Snyman 是屡获殊荣的实用假肢化妆效果和道具制作公司 Dreamsmith Studio 的创始人，他在科幻系列《异星灾变》使用了多种技术。利用 Form 3L 大幅面树脂 3D 打印机的超大成型体积，Snyman 制作了某女演员身体的超真实硅胶复制品、演员的硅胶面具以及真人大小的假人等等。

相反，硅胶材料也可用来制作用于成型各种材料的模具。阅读我们的指南，了解硅胶模具的制作方式。

直接硅胶 3D 打印现在已经在市场中普及，利用 3D 打印的优势来生产硅胶或类硅胶部件的方法有很多。

索取 Silicone 40A Resin 或 Formlabs 的柔性和弹性 SLA 材料打印的免费样品部件，或立即咨询 3D 打印专家，以找到适合您应用的合适解决方案。

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