Разблокировка гибкости: Полное руководство по 3D-печати силиконом

Lisa Ernst · 20.03.2026 · Технология · 15 мин

Возможность создавать сложные гибкие объекты из силикона произвела революцию во многих отраслях, от медицинского оборудования до потребительских товаров. Годами инженеры и дизайнеры боролись с трудностями производства этих мягких, податливых компонентов, часто сталкиваясь с высокими затратами и длительными сроками выполнения заказов. Теперь инновации в 3D-печати кардинально меняют этот ландшафт, предлагая беспрецедентную скорость и свободу дизайна.

Источник: Это изображение подчеркивает преобразующее воздействие 3D-печати на производство силиконовых деталей, демонстрируя сложные, гибкие объекты, которые теперь можно создавать для различных отраслей.

Краткое изложение

Вот краткий обзор того, что мы рассмотрим касательно 3D-печати силиконом:

• Прямая 3D-печать силиконом: Последние достижения, особенно с материалами, такими как Resin 40A от Formlabs, позволяют напрямую печатать детали из 100% чистого силикона с отличной гибкостью и долговечностью. Этот метод идеально подходит для быстрой прототипизации и мелкосерийного производства.
• Силиконоподобные материалы: Различные технологии 3D-печати (FDM, SLA, SLS) предлагают материалы с силиконоподобными свойствами, каждая из которых имеет свои компромиссы с точки зрения точности, стоимости и характеристик материала.
• 3D-печатные формы для силиконового литья: Высокоэффективный косвенный метод включает 3D-печать форм, а затем заливку в них настоящего силикона. Этот подход универсален, экономичен и позволяет использовать различные типы силикона, что делает его подходящим для широкого спектра применений, от прототипов до конечных изделий.
• Ключевые соображения: Факторы, такие как твердость по Шору, время отверждения и дизайн формы (однокомпонентная или двухкомпонентная, вентиляционные отверстия, установочные элементы), имеют решающее значение для успешного производства силиконовых деталей.

Силиконовые детали и эволюция их производства

Производство мягких или гибких деталей мелкими партиями часто представляет значительные технические трудности, оказываясь как дорогим, так и трудоемким. Силикон, универсальный синтетический каучук, может быть сконфигурирован для широкого спектра применений, включая уплотнения, соединители, носимые устройства, медицинские приборы, роботизированные захваты, кухонную утварь и даже тепловую или электрическую изоляцию. Традиционное производство силикона в значительной степени опирается на установленные методы, такие как литье под давлением, компрессионное формование или литье. Хотя прямая 3D-печать силиконом существует, его высокая вязкость исторически затрудняла точную печать. Более того, в отличие от фотополимеров, силикон нелегко нагревается и экструдируется, а также обычно не отверждается УФ-светом.

Ландшафт доступных решений для 3D-печати силиконом только недавно начал формироваться. Долгое время 3D-принтеры для силикона, способные работать со 100% чистым силиконом, были экспериментальными и стоили огромных денег, часто превышая 100 000 евро. Однако 2023 год ознаменовал поворотный момент, когда Formlabs представила Silicone 40A Resin, первый действительно доступный материал для 3D-печати из 100% чистого силикона. Этот инновационный материал, основанный на технологии Formlabs Pure Silicone Technology™, органично сочетает желаемые свойства литого силикона с неоспоримыми преимуществами 3D-печати. Он позволяет производить чистые силиконовые детали в домашних условиях за считанные часы, полностью исключая необходимость в традиционном изготовлении форм и процессах литья.

Прямая 3D-печать силиконом с Formlabs

С помощью специализированного решения Formlabs для 3D-печати, использующего принтер Form 3B+ (от 3499 евро), компании теперь могут производить 100% силиконовые детали внутри компании. Детали, напечатанные с помощью Silicone 40A Resin, обладают твердостью по Шору 40A, удлинением при разрыве 230% и прочностью на разрыв 12 кН/м. Эти прочные характеристики делают их идеально подходящими для применений, требующих одновременно гибкости и долговечности при многократном растяжении, изгибе и сжатии. Такие 3D-печатные детали также обладают впечатляющей эластичностью отскока 34% и сохраняют химическую и термическую стойкость в широком диапазоне, от -25°C до 125°C. Важно отметить, что они могут воспроизводить мелкие детали размером до 0,3 мм, что позволяет создавать даже самые сложные геометрические формы.

Прямая 3D-печать силиконом с Silicone 40A Resin оказывается неоценимой для быстрой прототипизации, создания производственных приспособлений, оснастки, мелкосерийного производства и изготовления индивидуальных деталей из одной единицы. Ее применение варьируется от прототипирования эластомерных потребительских товаров до автомобильных компонентов и промышленных аксессуаров, таких как соединители, проходные втулки, приводы, клавиатуры и ремешки для часов. Эта технология также способствует экономичному производству ограниченных партий или уникальных конечных изделий, таких как нестандартные уплотнения. Примеры включают высококачественные, долговечные, изготовленные на заказ производственные приспособления и инструменты, такие как гибкие формы для литья, крепежи, кондукторы и маскировочные приспособления. Компоненты медицинского оборудования, индивидуальные протезы и аудиологические приложения также значительно выигрывают от этого точного подхода.

Компании уже активно используют эти достижения. FINIS, например, использовала 3D-печатные силиконовые прокладки и кнопки для функциональных прототипов своих умных плавательных очков. Это позволило команде FINIS печатать прокладки всего за восемь часов по цене 10 евро за штуку, что резко контрастирует с затратами в 1000 евро и трехнедельным сроком выполнения заказов на аутсорсинговое литье полиуретана. Dorman Products, производитель автомобильных компонентов, использовал 3D-печать силиконом для изготовления индивидуальных прокладок для эффективного испытания новых продуктов под давлением. HGM Automotive Electronics даже квалифицировала 3D-печатные компоненты из Silicone 40A Resin для конечного использования в автомобильных приложениях после проведения собственных строгих испытаний.

Силиконоподобные материалы и альтернативы

Хотя прямая 3D-печать силиконом предлагает явные преимущества, другие методы 3D-печати предоставляют материалы с привлекательными силиконоподобными свойствами.

FDM 3D-печать

Моделирование осаждением методом наплавления (FDM) предлагает термопластичные полиуретаны (TPU) и термопластичные эластомеры (TPE) в качестве гибких материалов с твердостью по Шору от 45A до 90A. Основные преимущества FDM-альтернатив — это более доступные цены на принтеры и материалы. Однако FDM обычно страдает от меньшей точности, сниженной точности размеров, ограниченного разрешения и, как правило, более низкого качества деталей, прочности и свободы дизайна. Силиконоподобные FDM-материалы обычно менее прочны, чем стандартный силикон, не безопасны для пищевых продуктов, имеют более низкую термостойкость и предлагают меньше возможностей для выбора цвета и прозрачности.

SLA 3D-печать

Стереолитография (SLA) 3D-печати обеспечивает высокую точность и широкий спектр материалов для силиконоподобных прототипов или конечных изделий. SLA-детали отличаются гладкой поверхностью и большей свободой дизайна, чем FDM. Силиконоподобные SLA-смолы, как правило, менее прочны, чем стандартный силикон, не безопасны для пищевых продуктов и обычно не биосовместимы (хотя некоторые могут быть безопасны для кожи), а также имеют более низкую термостойкость. SLA-материалы могут быть полупрозрачными и цветными, и доступны с твердостью по Шору от 30A до 90A. Formlabs, например, предлагает Elastic 50A Resin, Flexible 80A Resin и Rebound Resin в качестве отличных силиконоподобных альтернатив SLA-материалов.

SLS 3D-печать

Селективное лазерное спекание (SLS) — это процесс аддитивного производства, обычно используемый в промышленных приложениях, характеризующийся высокой точностью и неограниченной свободой дизайна. Материалы SLS с силиконоподобными свойствами включают TPU, TPE и TPA с твердостью по Шору от 45A до 90A. Порошковый TPU 90A от Formlabs — это особенно эластичный эластомер, подходящий для долговечных продуктов с высоким удлинением при разрыве и повышенной прочностью на разрыв. Этот порошок широко используется для гибких, безопасных для кожи прототипов и конечных изделий, таких как носимые устройства, прокладки, демпферы, захваты, уплотнения, подошвы, шины, ортезы и протезы. Детали, изготовленные из силиконоподобных SLS-материалов, обладают точностью размеров, долговечностью, устойчивостью к истиранию и износу, а также самой высокой термостойкостью. Постобработка может сделать SLS-детали биосовместимыми, безопасными для кожи и пищевыми. Недостатки SLS включают ограниченные возможности выбора цвета и прозрачности, а также потенциальное коробление тонкостенных конструкций во время охлаждения.

Создание силиконовых деталей с помощью 3D-печатных форм

Другое значительное применение 3D-печати включает создание быстродействующих оснасток для формования и литья силиконовых деталей. Это позволяет производителям эффективно преодолеть разрыв между прототипированием и массовым производством силиконовых компонентов.

Процесс проектирования форм начинается в CAD-программе, где дизайнеры тщательно создают формы, подходящие для компрессионного формования, литья под давлением, переформования или даже вымываемых форм. Затем используется подходящая смола и 3D-принтер SLA, такой как от Formlabs, для точной печати формы. После печати форма требует тщательной подготовки к заполнению, что включает нанесение защитных покрытий и разделительных смазок. Затем подготавливается желаемый силиконовый материал и заливается в форму. После извлечения из формы силиконовая деталь тщательно обрезается и, при необходимости, подвергается постобработке. Эта быстродействующая оснастка, изготовленная внутри компании, облегчает важнейшую проверку выбора дизайна и материалов перед серийным производством и позволяет эффективно создавать индивидуальные конечные изделия.

Компании, такие как Google ATAP, использовали 3D-печатные реплики для сокращения расходов более чем на 100 000 долларов и сокращения циклов тестирования с трех недель до трех дней. Dame Products использует вставное формование с 3D-печатными формами для красивой инкапсуляции внутренней фурнитуры бета-прототипов в силикон. Psyonic использует силиконовое вставное формование для пальцев своих протезов рук, которые состоят из жесткого, 3D-печатного сердечника, покрытого силиконом. Производители робототехники, такие как RightHand Robotics, используют тот же процесс для производства захватов для своих передовых роботов. OXO, известный производитель кухонной утвари, использует 3D-печать для прототипирования резиноподобных деталей, таких как уплотнения, используя 3D-печатные штампы для компрессионного формования двухкомпонентного силикона. Компания Cosm, занимающаяся медицинскими технологиями, изготавливает индивидуальные пессарии, печатая формы на 3D-принтере SLA и впрыскивая биосовместимый силикон. Производство индивидуальных отопластических изделий с помощью 3D-печати произвело революцию в аудиологии, получив широкое распространение в слуховых аппаратах, средствах защиты слуха и наушниках. Jaco Snyman из Dreamsmith Studios также умело использовал 3D-печатные формы для своих сверхреалистичных силиконовых реплик и масок.

Источник: property24.com

Жако Снейман, изображенный здесь, эффективно использовал 3D-печатные формы для создания сверхреалистичных силиконовых реплик и масок для Dreamsmith Studios.

Силикон состоит из полимеров, содержащих кремниевые цепи, которые превращаются из жидкого состояния в резинообразное посредством химической реакции катализатора. Комнатная вулканизация (RTV) силиконового каучука захватывает мельчайшие детали поверхности и после отверждения химически не прилипает к 3D-печатным формам. Однако механические связи возможны, если силикон заливается на пористые поверхности. Жидкие силиконы бывают двухкомпонентными или однокомпонентными с катализатором. Силиконы на платиновой основе дороже, но обеспечивают лучшую долговременную стабильность размеров и низкую усадку, в то время как силиконы на оловянной основе более экономичны, но менее долговечны и подвержены большей усадке. Время отверждения жидких силиконов обычно колеблется от десяти минут до нескольких часов. Силиконовая шпатлевка, удобная двухкомпонентная смесь, смешивается вручную, имеет твердость по Шору 40A (аналогично ластику), отверждается менее чем за 20 минут и практически не дает усадки. Для обеспечения безопасности и пригодности всегда следует консультироваться с паспортами безопасности материалов, чтобы убедиться в совместимости с кожей и слизистыми оболочками, а также в безопасности для пищевых продуктов.

Твердость по Шору резиноподобных материалов точно измеряется по шкале твердости Шору A (для более мягких материалов) или D (для более твердых материалов).

Источник: super-silicon.com

Эта подробная схема иллюстрирует шкалу твердости по Шору, которая имеет решающее значение для понимания гибкости и жесткости различных материалов, таких как силикон.

Силикон устойчив к теплу и холоду (от -65°C до 400°C), различным химическим воздействиям и грибкам. Силиконовые формы по своей природе гибки, легки и менее подвержены поломке или растрескиванию, что обеспечивает впечатляющее удлинение до 700%. Их можно использовать многократно, срок их службы зависит от частоты литья и сложности конструкции. Однако силикон, как правило, дороже латекса и органических каучуков и может рваться при чрезмерном натяжении.

Однокомпонентные силиконовые формы идеально подходят для конструкций с плоской стороной и без глубоких поднутрений. Двухкомпонентные силиконовые формы — лучший выбор для воспроизведения сложных трехмерных моделей, не имеющих плоской стороны или имеющих глубокие поднутрения. Двухкомпонентные формы точно разделяются на две половины, которые образуют точную, заполняемую трехмерную полость. Установочные элементы, такие как цилиндрические выступы, обеспечивают точное и последовательное выравнивание частей формы. Также предусмотрены скошенные выступы для легкого разделения частей формы. Линию разъема формы необходимо тщательно учитывать на этапе проектирования. При заливке силикона в форму его следует лить с достаточной высоты (не менее 10 см) непосредственно в угол полости, чтобы минимизировать пузырьки воздуха. На все поверхности, не предназначенные для склеивания, необходимо нанести разделительный агент. Пузырьки воздуха в силиконе можно дополнительно минимизировать с помощью вибрирующего устройства или путем тщательного контролируемого перемешивания.

Двухкомпонентные RTV-системы для формования (с отверждением присоединением) особенно подходят для создания гибких деталей. Заливная двухкомпонентная силиконовая формовочная масса с твердостью по Шору A30 соответствует мягкому каучуку. Для справки, твердость по Шору A10 похожа на мармеладных мишек, A50-A70 — на автомобильные шины, а A100 — на твердый пластик. Силикон практически не дает усадки и часто безопасен для пищевых продуктов, с температурной стойкостью от –50°C до 180°C (и кратковременно до 250°C). Многокомпонентные формы позволяют легко снимать детали, поскольку силикон прощает углы уклона и небольшие поднутрения. Использование специальных разделительных агентов, таких как разделительный воск или лак ПВА, часто оказывается ненужным при работе с силиконом.

Компоненты формовочной массы точно смешиваются по весу, где электронные кухонные весы оказываются чрезвычайно полезными. Хорошим эмпирическим правилом является то, что примерно 1,3 грамма смешанного силикона дают объем 1 мл или 1 см³. Полученная смесь аккуратно заливается в форму и затвердевает в зависимости от конкретного продукта, обычно в течение от нескольких минут до 48 часов. Продукты с временем жизни смеси около 30 минут и временем отверждения 24 часа, как правило, хорошо подходят для многих применений. Негативные формы можно эффективно герметизировать малярным скотчем или армированной лентой, чтобы предотвратить утечку. Для более сложных закрытых форм необходимо стратегически предусмотреть вентиляционные каналы (отверстия толщиной примерно 1 мм). Силикон вводится через центральное заливное отверстие до тех пор, пока он не вытечет из всех вентиляционных отверстий. Для меньших поперечных сечений может быть полезно небольшое давление (например, оказываемое шприцем) без введения дополнительного воздуха. После отверждения излишки материала тщательно удаляются острым ножом. Снятие с формы производится осторожно тонкой плоской отверткой или обратной стороной ножа. Лишние каналы и вентиляционные отверстия аккуратно удаляются острым лезвием или боковыми кусачками. Любые оставшиеся дефекты можно гладко удалить увлажненной мелкой наждачной бумагой. Затем отлитую деталь можно тщательно промыть мылом и водой для удаления остатков. Формы можно использовать многократно; вентиляционные отверстия могут требовать периодической очистки, а при необходимости следует наносить новый разделительный агент. Итерации и доработка конструкции форм являются обычной практикой для корректировки точек соединения, установочных штифтов или вентиляционных отверстий для достижения оптимальных результатов.

Сравнительный обзор методов 3D-печати силиконом

Чтобы помочь вам выбрать лучший подход для вашего проекта, здесь представлена сравнительная таблица различных методов 3D-печати силиконом:

Заключение

Интеграция 3D-печати в производство силиконовых компонентов знаменует собой значительный и захватывающий прогресс. Будь то прямая 3D-печать силиконом или стратегическое использование 3D-печатных форм, производители теперь располагают более универсальными, экономичными и быстрыми способами создания жизненно важных гибких деталей. Эти передовые технологии способствуют итеративным процессам проектирования, облегчают индивидуальное производство и обеспечивают высокоспециализированные приложения, в конечном итоге ускоряя инновации в различных отраслях, от инновационного дизайна продукции до высокоточных медицинских устройств. Поскольку материаловедение и возможности печати продолжают неуклонно развиваться, возможности для индивидуальных силиконовых решений будут только расширяться и впечатлять.