3D打印机：液体和软材料的增材制造成为主流

当 3D 打印机的打印头在空白运动鞋基材上方沿 X 轴和 Y 轴移动时，它会沉积 Voxel8 的高性能弹性体，这些弹性体是在打印过程中实时制造的。然后将数字图像喷墨到弹性体特征上，最后添加保护性面漆。

Voxel8 首席执行官 Fred von Gottberg 表示：“通常，当你今天制造鞋子时，它需要数百个组件和步骤。“因此，我们用三步流程替换了数百个步骤。”

这家总部位于马萨诸塞州的公司的技术及其对运动鞋和纺织品的关注使增材制造 (AM) 的一大优势成为现实——减少制造产品所需的步骤或零件数量。

Voxel8 还通过在需要的地方沉积更硬或更灵活的弹性体并喷墨客户想要的任何图像来实现工业 4.0 的大规模定制目标。

其他已经克服了使用液体和软材料（如有机硅和聚氨酯）进行 3D 打印的挑战的公司，在扩大现有市场份额或创造新市场并将增材制造主流化的过程中，正在带来其他好处。

其中的好处是生物打印可以防止打印件在其自身重量下坍塌，按需打印可以替代仓储备用橡胶部件，以及无需注塑成型中使用的昂贵模具即可制造硅胶部件。

尽管 Voxel8 专注于鞋子和纺织品等日常用品，但其技术使用具有技术挑战性的化学过程。

一个独特的挑战是原料一进入混合头就开始化学反应。冯戈特伯格说，挑战在于时机。“你必须确保它不会反应太快，”这会堵塞打印头，“但反应足够快，当它碰到你的基材时，设置好你就可以构建 3D 结构。”

该公司的材料“油墨”是异氰酸酯和多元醇预聚物，它们反应生成聚氨酯。不同的油墨可用于印刷有机硅和环氧树脂。他说，Voxel8 还开发了由 65% 的生物基原材料或 25% 的回收成分制成的墨水。

可以调整进入 Voxel8 的 ActiveLab 打印机的四输入打印头的原材料的比例，以将所得热固性塑料的硬度从柔软、灵活的橡皮筋的硬度改变为硬塑料瓶的硬度。未固化的热固性塑料可以挤压成 3D 结构的厚度和高度，或雾化和喷涂用于 2D 应用。该材料也可以挤压到模具中，以获得精细的特征和锋利的边缘。

除了运动鞋外，该公司的材料和技术还可用于代替钢圈来增加胸罩支撑的刚度。它们可以将传感器、印刷电路板和电线封装在电子可穿戴设备中，使其更符合人体工程学。它们可用于品牌豪华车。

市场需求达到甜蜜点

在概念上与 Voxel8 的技术相似，Chromatic 3D Materials 的异氰酸酯和多元醇在打印头中发生反应，以获得适合打印的粘度和反应性。沉积后，材料在层之间形成化学键，从而形成非常坚固的材料，表面非常光滑。

Chromatic 3D Materials 首席执行官 Cora Leibig 说：“当你将它们视为凝胶时，你可能会以正确的方式考虑它们的流动方式”，因为材料从打印头排出。

与 Voxel8 不同的是，Leibig 的公司为卡车、拖拉机、公共汽车和火车等使用寿命超过橡胶密封件、垫圈和衬套的长寿命工业设备制造弹性备件。

Leibig 的技术可以像 Voxel8 一样在单个部件中改变硬度，但除了偶尔的活动铰链或围绕刚性部件的软手柄外，她并不关注这方面。

当客户要求不同的压缩形变、食品级材料或不同颜色时，材料的可变性真的很突出。

“通常很难为那些使用寿命长的设备维护备件库存，因为橡胶部件通常在七年左右到期，”她说。“此外，这些零件的库存非常昂贵，因为它们的需求量非常低。”

通常，大约 25% 的市场每年只需要几百个零件。“所以这真的是在 3D 打印的最佳位置，”Leibig 说。

虽然单个公司的需求可能很低，但综合需求构成了一个巨大的市场。她说，一家公司每年可能在弹性备件上花费 500 万至 2000 万美元，而全球弹性密封件和垫圈市场价值约 150 亿美元。

“我们肯定发现它有很多需求，”她补充道。“我们会发现它可以带我们走多远，但它肯定可以让我们开始追求一些新设计，例如多材料零件和原始设备之类的东西。”

Leibig 是一名材料科学家，曾任陶氏化学研究总监，当 Chromatic 3D Materials 灵感迸发时，他正在评判一场关于解决供应链问题的高中辩论。

“我看到 3D 打印对高性能材料的需求如此巨大，”她说。“我还看到，3D 打印的材料调色板中缺少一些在工业应用中大量使用的化学物质。”

调色板的另一种材料

瓦克化学还注意到 3D 打印调色板中缺少一种工业聚合物——硅胶。该公司已经在硅胶方面积累了 70 年的经验，但如果能够进行 3D 打印，则可以进行注塑成型无法实现的设计，并且不需要昂贵的模具。

为了弥补这一空白，该公司于 2014 年启动了一个研究项目，该项目导致其按需印刷工艺可以一滴一滴地沉积硅胶。2016 年，瓦克的 Aceo 部门开始提供硅胶 3D 打印服务。

2018 年，Aceo 合作开发了一种用于伤口愈合的冷等离子体设备，首次使用了其导电的 3D 打印硅胶。今年，该部门在一次印刷中推出了一种新材料组合，其中包含有机硅弹性体和环氧树脂热固性材料。

该材料的基本配方将聚合物与增强填料、交联剂和加成固化催化剂相结合。

据该公司称，Aceo 有机硅基于瓦克的 Elastosil 液体硅橡胶系列，具有相似的机械性能。Aceo 有机硅的硬度范围为 Shore A 20-60，并有不同的颜色。

与 Voxel8 和 Chromatic 3D Materials 的产品一样，不同硬度的有机硅可以组合在同一张打印件中。

“在开发过程中，这种 100% 有机硅材料一直是我们面临的最大挑战，”从事有机硅印刷项目、现在领导 Aceo 业务发展的 Vera Seitz 说。“由于它们的高起始粘度和长聚合物链，真正的有机硅弹性体无法用传统技术印刷。”

Seitz 继续解释团队如何克服挑战：“由于有机硅的高粘度和低表面能，液滴的形成需要一个能够以高频剪切和喷射材料的计量阀。使用这种方法，阀门的喷嘴和 3D 打印物体之间没有接触，因此喷嘴和物体之间没有材料串。”

Aceo 的 3D 打印机测量每个打印层的厚度，将其与 CAD 模型中的目标值进行比较，并纠正后续层中的任何差异。

层的厚度会导致零件表面的“阶梯效应”，特别是对于复杂的几何形状。但是对于平行于构建平台的水平表面，表面是光滑的。

“因此，构建空间中的零件方向对零件的最终质量起着重要作用，”Seitz 说。“但是，我们注意到分层表面在最终应用中通常不是问题，因为材料特性超过了略微分层的外观。”

聚合物在打印过程中为悬垂物和内腔提供支撑，但在后处理过程中会被水冲走。紫外线辐射使各个层交联。部件随后在 200°C (392°F) 下固化四小时，这是有机硅弹性体的标准。