硅胶注塑成型 vs 3D打印：弹性体零件生产最佳工艺选择

从工业垫圈到鞋底，弹性体零件无处不在且独具特色。由弹性体——一类橡胶状聚合物制造，这些柔性、可拉伸、吸震组件易于制造——且可通过多种方式生产。

生产弹性体零件的方法之一是注塑成型。非热塑性塑料注塑，而是热固性材料如液态硅橡胶注塑：材料以液态注入后固化成固体。但今天液态硅胶注塑有个绝佳替代方案，即TPE和TPU等柔性材料3D打印。不再是特种材料，TPE和TPU现在可在低成本FDM打印机上打印。

本文探讨弹性体零件基础：其性能、应用，以及您应选择注塑成型还是3D打印。

什么是弹性体？

弹性体定义为具有低杨氏模量、高断裂应变和粘弹性——粘性和弹性结合——的聚合物。有时简称为橡胶，弹性体实为包含非硫化材料的更广泛类别。

通俗讲，弹性体(弹性聚合物)是室温下不同程度具有弹性、可拉伸、柔性或可变形的材料。归因于其弱分子间键。所有这些使弹性体极其有用。因可弯曲拉伸不破裂，用于许多刚性材料会失效的应用。

弹性体可为热固性(加热不熔融)或热塑性(加热熔融)，最常见弹性体包括：

• 天然橡胶
• 丁二烯橡胶
• 苯乙烯-丁二烯橡胶
• 乙烯-丙烯单体

但本文聚焦原型制作和两个特定制造工艺，我们将更多关注硅胶、热塑性弹性体(TPE)和热塑性聚氨酯(TPU)。硅胶是热固性，TPE和TPU均为热塑性聚合物，因此可被3D打印机挤出。

弹性体零件示例

弹性体极其常见，见于简单日常物品和复杂工业组件。此处按行业分类查看各类弹性体零件，以及一些材料特定应用。

1. 汽车

轮胎及更多，弹性体对生产许多汽车组件至关重要。

• 轮胎
• 减震设备
• 雨刮器
• 悬挂组件
• 密封件和垫圈

2. 工业

弹性体广泛用于工业，特别是水密和气密组件的密封件和垫圈。

• 密封件和垫圈
• 电气绝缘
• 输送带
• 传动带
• 软管和管材

3. 石油天然气

弹性体，特别是合成弹性体，见于石油天然气行业，常用于防止漏油。

• 液压密封件
• 管道刮刀
• 封隔器杯
• 软管

4. 消费品

大量消费品由弹性体制造，从足球到铅笔橡皮。

• 鞋类包括大底
• 雨衣
• 海绵
• 铅笔橡皮
• 运动用品包括球类
• 食品容器

材料特定示例

本文聚焦可注塑成型液态硅橡胶和可3D打印TPE、TPU丝材，以下是这三种材料常见用途：

• 硅胶：生物相容医疗设备、假肢、食品级装置如冰格、密封垫圈、包胶组件
• TPE：密封垫圈、瓶盖垫、雪地摩托履带、医疗组件含导管、工具手柄、悬挂衬套、包胶组件
• TPU：电子外壳、脚轮、医疗组件、传动带、鞋类、充气物品、电线护套和管材

弹性体注塑成型

制造弹性体零件有许多方法，但最可靠之一——特别是大批量——是注塑成型。

注塑成型是通过注射、在压力下将液态材料注入金属模具(通常钢或铝制造)的塑料零件制造工艺。过程中，注塑机将原料送入模具，其几何形状为最终零件负印象，通常由两部分组成，中间有型腔。

注塑成型兼容热固性弹性体如液态硅胶，是大批量制造柔性、抗冲击、耐温零件的绝佳方式。成型前，双组分硅胶溶液混合，一半含铂催化剂使硅胶固化成固体。

液态硅胶注塑可生产垫圈、医疗设备、厨房设备、多材料组件包胶部分等零件。

优势

硅胶注塑成型有若干优势，包括大批量快速生产、高细节水平、良好材料性能、特定中大批量下低单件成本。

劣势

液态硅胶注塑局限包括高金属工装成本、成型工艺固有几何限制，含薄壁和圆角。

弹性体3D打印

液态硅胶注塑的替代方案是柔性丝材如TPE和TPU的3D打印。虽然这些材料也可注塑成型，但3D打印提供更激进替代方案，可能适合不同项目类型，包括一次性原型。

3D打印TPE和TPU等弹性体最大优势之一是这些材料为热塑性塑料，可制成适合熔融挤出的FDM 3D打印丝材。FDM是最便宜3D打印形式——无论机器成本还是运营成本——这意味着任何人都能制作高质量弹性体零件。

TPE和TPU丝材各有用途。TPU比TPE更硬、更致密、更刚性，耐磨性更好、收缩更少。但不如TPE柔性，TPE可制造像橡皮筋般柔性零件。

虽然3D打印弹性体需小心，特别是TPE(打印速度必须慢、直接驱动挤出机优于鲍登管)实际上任何FDM打印机均可处理这些材料。

常见3D打印弹性体零件包括TPU鞋中底和可穿戴电子、TPE手柄、软管、手机皮套。

优势

3D打印柔性丝材优势包括极低成本甚至小批量、无工装成本、几乎无限几何结构(内部和外部)。这使工艺高度适合弹性体原型制作。

劣势

TPE和TPU 3D打印弹性体零件局限包括精度和细节水平(相比注塑)、生产速度、可扩展性，因成本或时间无规模经济。

结论

液态硅胶注塑和FDM 3D打印均为生产弹性体零件的绝佳方式。注塑成型在零件质量和可扩展性方面领先，但3D打印是原型、特别是单件的便捷经济选择。

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