传统硅橡胶制品依赖模具成型，开发周期长、成本高，难以实现个性化或复杂内部结构。而3D打印（增材制造）技术的兴起，为柔性电子、软体机器人、定制化医疗器件等领域带来了革命性可能。然而，硅橡胶因其高粘度、不可热熔、需化学交联等特性，长期被视为“不可打印”材料。近年来，随着可光固化硅橡胶（Silicone Resin）、直接墨水书写（DIW）和嵌入式打印（Embedded Printing）等技术的突破，硅橡胶终于迈入数字化制造时代，开启“按需定制柔性功能体”的新纪元。

一、为何硅橡胶3D打印如此困难？

普通热塑性材料（如PLA、TPU）可通过加热熔融挤出打印，但硅橡胶是热固性弹性体：

不熔融：加热至200℃以上会降解而非流动；

需交联：必须通过铂催化加成或过氧化物引发反应才能固化；

高表面能：未固化前易粘附喷嘴，固化后难脱模；

收缩控制难：交联过程伴随体积变化，影响精度。

这些特性使传统FDM、SLS等工艺无法直接应用。

二、主流3D打印技术路径

1. 光固化硅橡胶（Vat Photopolymerization）

原理：将甲基丙烯酰氧基改性的硅氧烷低聚物溶于活性稀释剂，加入光引发剂；

工艺：紫外光（365–405 nm）逐层照射，引发自由基聚合，形成交联网络；

代表材料：德国Wacker的ACEO® Printable Silicones、美国Spectroplast的医用级光固化硅胶；

优势：

分辨率高（可达50 μm）；

表面光滑，无需后处理；

可打印悬垂、封闭腔体等复杂结构。

局限：力学性能略低于传统LSR（拉伸强度≈5–7 MPa），且需后固化提升交联度。

2. 直接墨水书写（Direct Ink Writing, DIW）

原理：将高填充硅橡胶膏体（粘度10⁴–10⁶ mPa·s）通过微喷嘴挤出；

固化方式：

室温硫化（RTV）：接触湿气缓慢固化；

热固化：打印后整体加热交联。

优势：

可使用商用LSR原料；

易掺入导电填料（银、碳管）、磁性颗粒等功能相；

挑战：需精确控制流变性（剪切稀化+快速恢复），防止塌陷。

哈佛大学Lewis Lab利用DIW打印含液态金属通道的硅胶传感器，实现应变-导电一体化。

3. 嵌入式3D打印（Embedded 3D Printing）

原理：将硅橡胶“墨水”注入支撑性凝胶浴（如 Carbopol）中；

特点：凝胶提供各向同性支撑，允许打印任意自由形态（如螺旋、 knots）；

脱模：打印完成后加热或调节pH使凝胶液化，取出硅胶结构；

应用：仿生血管网络、柔性微流控芯片。

三、典型应用案例

个性化医疗：

根据患者CT数据3D打印硅胶耳廓支架、气管模型，用于术前规划或植入；

柔性电子：

打印集成天线、应变传感器的可穿戴手环，无需组装；

软体机器人：

一次性打印含多腔气动网络的章鱼触手，省去模具与粘接步骤；

微流控芯片：

光固化硅胶直接成型带阀门、混合器的全集成芯片，用于POCT诊断。

四、性能与传统工艺对比

表格

指标       模具成型LSR      光固化3D打印   DIW打印

拉伸强度      7–9 MPa 5–7 MPa 6–8 MPa

断裂伸长率  600–800%     300–500%     400–700%

最小特征尺寸      0.3 mm  0.05 mm 0.2 mm

生产效率      高（量产）  中（单件）  低（原型）

材料成本      低   高（专用树脂）  中

注：3D打印硅胶目前主要用于高附加值、小批量场景。

五、未来发展方向

多材料共打印：同步沉积导电硅胶、绝缘硅胶、水凝胶，构建多功能系统；

4D打印：打印预应力结构，遇热/湿后自折叠成目标形状；

生物打印融合：在硅胶支架中嵌入活细胞，用于组织工程；

闭环回收：开发可解交联硅胶，支持打印废料再利用。

行业标准也在建立中，ASTM已启动“增材制造用硅橡胶材料规范”制定工作。

结语

硅橡胶3D打印的突破，不仅是制造工艺的革新，更是设计思维的解放。它让工程师不再受限于脱模斜度与分型线，让医生能为患者“量身定制”柔性植入体，让科研人员快速迭代软体机器人原型。从液态前驱体到高弹成品，数字指令在层层堆叠中赋予硅橡胶以形态与功能。这标志着柔性材料正式进入“所想即所得”的时代——因为未来的柔软世界，不该被模具定义，而应由创意自由塑造。


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