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2025-07
液体和软材料3D打印/增材制造成为主流
在Voxel8，你会看到这样的画面：3D打印机打印喷头在空白的运动鞋底上沿X轴和Y轴不断移动，高性能弹性体即时沉积成型。随后喷墨头将数字图像印刷到弹性体上，最后再加一层保护性面层。
Voxel8总部位于美国马萨诸塞州，致力于开发数字化3D打印制造系统，以改变运动鞋和运动服装类的生产方式。Fred von Gottberg（Voxel8 CEO）提到：“传统的制鞋工艺需要数百个零件和步骤，现在我们只需三步即可代替。”
Voxel8察觉到工业4.0战略（德国政府提出的高科技战略计划,被称为第四次工业革命的先行者）在批量定制化生产上的需求，其技术可以在沉积材料时区域性地改变材料的刚度，也可以根据客户要求喷绘图案。
其他已经掌握了液体和软材料（比如硅胶和聚氨酯等聚合物）3D打印技术的公司在增长市场份额的同时，也在不断带来新的优势，例如生物打印无需支撑即可保持结构完整性，按需打印无需昂贵的模具就能制造出硅胶零件等，这些优势促使其逐渐成为增材制造技术的主流。
虽然Voxel8致力于鞋类和纺织品等日常用品，但其技术也应用了非常有挑战性的化学工艺。Fred 说到：“事实上，原材料一进行混合就会触发化学反应。我们必须要确保它不能反应太快，因为这会堵塞打印喷头，但是，当接触到鞋底的时候，又要反应地足够快才能进行设置和搭建三维结构。如何把握这其中的时机，对我们来说是个非常独特的考验。”
（Voxel8 首席执行官Fred Von Gottberg）
生产使用的材料“inks”就是异氰酸盐和多元醇预聚物，二者反应产生聚氨酯。不同的inks能用来打印硅胶和环氧树脂。Voxel8 研发出了一种ink由65%的生物基原材料制成，同时含有25%的再生材料。
Voxel8 已推出的ActiveLab® 3D打印系统有4个打印喷头，通过调整输入到打印喷头里原材料的比例，可以改变合成的热固性材料的硬度，比如说从一个橡皮筋的柔韧度改到硬塑料瓶的硬度。未固化的热固性材料可用于挤压3D结构的厚度和高度,或用于2D应用的雾化和喷涂。也可以将材料挤压到模具里，实现精细特征和锐利边缘。
除了运动鞋，公司的材料和技术还可以用来代替钢圈增加胸罩的支撑力。也可以把传感器，电路板和线密封到到可穿戴电子产品上，更符合人体工学要求。还能给豪车上印商标。
01：从市场需求出发
与Voxel8的技术概念类似，Chromatic 3D Materials（以下简称C3DM）的异氰酸盐和多元醇也是在打印喷头里混合触发化学反应，把材料的粘度和反应性调整到最佳状态。材料沉积之后，每个打印层之间形成化学键，打印而成的零件强度非常高，表面光洁度也很好。
(C3DM首席执行官Cora Leibig)
Cora Leibig说到：“可以把喷头挤出的材料想象成凝胶，这样就能理解它们是如何流动成型的了。” 和Voxel8不同，C3DM专注于为一些比较耐用的工业设备生产弹性零部件，比如说卡车，拖拉机，公交车和火车等，车体的寿命远超橡胶密封塞，密封垫和套管等零件。
C3DM的技术也可以像Voxel8一样，改变单个部件的硬度，但他们重点不在于此，只是偶尔给硬质零件搭配一个柔性把手。有些客户对材料的性能，等级和颜色有特殊要求，这样的话材料的多变性就非常关键了。
“大多数情况下，为一些寿命长的设备维持零部件库存都很难，因为橡胶零件经常在7年左右就老化了。而且由于市场需求量极低，要一直保持库存，成本也很高。通常，整个市场全年只需要几百个零件。所以这真的是3D打印的一个甜品区。”
“虽说单个公司需求低，但是所有需求综合起来，市场机会还是很大的。假设一个公司每年可能花费500万到2000万美元来采购弹性零部件，那全球的弹性密封塞和密封垫市场就差不多有150亿。我们绝对能找到很多市场需求，看看它能带我们走多远。如果市场饱和了，那我们就需要引入一些新设计，比如说多材料的零件。”
Leibig在材料行业工作了20年,其中在陶氏化学公司，她从事企业研发和特殊聚氨酯的研发工作，有十年之久。在参加一场关于如何解决供应链问题的高校辩论时，她受到启发于2016年创立了C3DM。
“我看到了3D打印行业对更高性能的材料有巨大需求，也发现有些在工业领域大范围使用的化学成分，没有出现在3D打印的材料选项区里。”
02： 选项区的另一种材料
瓦克化学也注意到了有一种工业级聚合物，没有出现在3D打印材料选项中，那就是硅胶。瓦克化学已经在硅胶应用领域积累了70年的经验，但是如果能够研发出适合3D打印的硅胶，有些注塑成型完不成的设计，就能通过3D打印实现，还能避免使用昂贵的模具。
为了弥补这一空白，公司于2014年启动研发项目，最终形成了按需喷墨的打印过程，即一滴一滴地沉积硅胶。2016年瓦克化学下的品牌ACEO开始提供硅胶3D 打印服务。
Aceo在2018年合作研发出低温等离子器械来治疗枪伤，首次介绍了可导电3D打印硅胶的用法。今年又推出了一种新材料，能在单次打印中与硅胶弹性体和环氧聚酯结合起来。该材料的基本配方是将聚合物与增强填料、交联剂和加成固化催化剂结合在一起。
Aceo的硅胶来源于瓦克旗下的的液体硅橡胶品牌Elastosil，两者力学特性相同。ACEO的硅胶颜色多样，且硬度可选范围大（Shore A 20-60）。与Voxel8 和C3DM的产品一样，单次打印过程可融合不同硬度的硅胶。
Vera Seritz,之前在Aceo负责硅胶打印项目，现在任商业发展主管她提到：“在研发中，我们发现，如何使用百分之百的硅胶材料是遇到的最大挑战。因为真正的硅胶弹性体起始粘度高，聚合链长，无法用传统的打印技术打印。”
（图右为ACEO工程师Vera Seitz）
她继续解释团队是如何应对这些挑战：“由于硅胶的粘度高，表面张力低，微液滴的形成要求一个计量阀能够高频地对材料进行剪切和喷射。这样的话，阀门的喷嘴和打印体之间没有任何接触，相应地，喷嘴和物体之间也没有任何材料粘连。”
Aceo的3D打印机能够测量每一层硅胶的厚度，然后和CAD模型中的目标值进行对比，再在打印下一层时校正这些差异。每一层硅胶的层厚会在部件表面造成阶梯效果，对于复杂结构来说更明显。但是和构建平台平行的水平面，表面是光滑的。所以，零件在在构建平台中的方位，对于最终的产品质量来说很重要。不过我们也注意到，有些终端应用对材料性能要求比对产品外观要求更高，这样的话，层状表面也不算大问题。
ACEO®技术基于“按需喷墨”打印原理。打印头将有机硅微液滴（体素）逐滴沉积在工作平台上，然后液滴相互融合，形成均质有机硅层。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。通过使用聚合物作为支撑材料来生产飞檐或孔洞等复杂结构，便能逐层打印出三维物体，打印完成后，用水将支撑材料冲洗掉。随后将物体二次硫化，以便去除挥发物。
关键词：
3D打印,硅胶3D打印,ACEO®技术,Voxel8,增材制造,硅胶
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