硅胶 3D 打印生产成品汽车连接器密封件
HGM Automotive Electronics 使用 Silicone 40A Resin 进行 3D 打印制作的连接器密封件。
HGM Automotive Electronics 是一家面向汽车售后市场设计和制造领先电子系统的专业制造商。
最近让 HGM Automotive Electronics 研发总监 Guy Cardwell 感到头疼的是，HGM Automotive Electronics 经常需要修复古董车，因此很难找到维修或还原发动机所需的部件。要找到合适的连接器和其他电子元件更是难上加难，特别是在原厂部件已停产的情况下。
他们将目光转向 3D 打印，使用该技术进行原型制造和小批量生产，这是在公司内部按需制造部件的最佳选择。然而，Cardwell 所处的汽车行业是一个受监管的行业，需要遵循特定的要求，比如防护等级（IP 等级）和耐化学腐蚀性，因此材料的选择非常重要。在汽车连接器密封件中，最常用的材料是软硅胶，但是生产方式非常有限。对于小批量生产来说，注射成型成本过高，传统的硅胶铸造则耗时过长。
随着 Silicone 40A Resin（硅胶 40A 树脂）的面世，Cardwell 表示他们终于找到了“理想材料”，作为市面首款经济实惠的纯硅胶 3D 打印材料，非常适合制造柔韧和耐用的部件。通过严格的化学和机械测试，这种新材料在成品汽车部件中展现出优异的机械性能和耐化学腐蚀性。该公司参与了这款新材料的测试计划，并将其用于原型制造，但他们现在的主要目标是开始进行成品部件的小批量生产。
Silicone 40A Resin 助力连接器密封件设计
| 比较方法 | 使用 SILICONE 40A RESIN 进行 3D 打印的优势 |
|---|---|
| 外包注射成型 | 周转时间缩短 90% 成本降低 98% |
| 内部可浇注硅胶铸造 | 实现具有精细特征分辨率的复杂几何结构 减少人工成本、出错风险和周转时间 可重复生产，生产规模可在 10 到 1000 个部件之间调整 |
在成功生产电子连接器的基础之上，HGM Automotive 开始尝试制造定制密封件。这些定制密封件难以在市场上采购，而且现有组件的质量通常非常糟糕。开发定制密封件的难点在于缺乏合适的柔软弹性材料。他们可以制作注射模具，并使用非常柔软的聚氨酯来生产这些部件。不过，这种方法的缺点是，仅仅制作注射模具就需要花费 6000 至 1 万美元。如果制造 1 万个同类部件，则可以有效均摊成本，但实际情况是每年只需要 100 到 1000 个部件。此外，一旦注射模具制作完成，就几乎无法更改设计。对于几何结构复杂的连接器密封件来说，处理起来非常麻烦。Cardwell 表示：“归根结底还是成本和灵活性问题。”
对于 100 个连接器密封件的生产量，HGM Automotive 将成本降低了 98%，将周转时间缩短了 90%。
最初，他们使用 Formlabs 柔软灵活的 Elastic 50A Resin 打印连接器密封件，但这种材料的柔软程度仍无法满足要求。他补充道，由于连接器需要手工组装，使用硬度较高的材料（如聚氨酯）而非硅胶制造密封件，很可能导致线束制造商需要花费两到三倍的时间来组装一个连接器，“仅仅是因为他们需要克服材料造成的影响”。
另一个选择是使用常规的可浇注硅胶铸造，他们过去在制造其他部件时就采用过这种方法。然而，这个连接器非常特殊，设计有九根电线穿过密封件，因此设计非常复杂。密封件的孔和几何形状导致模具脱模困难，而且只有 3D 打印的精度才能满足其精细度要求。
“虽然可以选择铸造方式，但是对于[复杂的几何形状]，必须非常非常小心，同时制造过程非常耗时。因此，与其他所有工艺相比，能够进行批量 3D 打印是最完美的解决方案。
PreForm 软件中加载的 HGM Automotive Electronics 连接器密封件的 CAD 文件。其中有九根电线穿过密封件，且密封件厚度约为一厘米。由于它具有复杂的几何形状和精密的细节，注射成型模具或可浇注硅胶铸造模具几乎难以制造该部件。而使用 Form 3+ 打印 25 个连接器的时间为 4 小时 30 分钟。
“这种材料非常完美，它与生产材料非常相似。”
Guy Cardwell，HGM Automotive Electronics 研发总监
得益于 Silicone 40A Resin，HGM 能够在内部实现小批量生产，该材料的另一个优势是应用广泛。团队计划将该材料用于除连接器密封件之外的其他应用。新材料的主要优势在于它与生产材料非常相似，在 HGM Automotive Electronics 的应用中发挥了理想的性能，特别是在弹性、抗撕裂强度和柔韧性方面。
“Silicone 40A Resin 有助于提高设计灵活性，实现以前只能使用成本极高和耗时的成型工艺才能制作的设计，使我们能够拓展新的市场并制造以往成本极高或结构复杂的产品。其他 3D 打印解决方案可以打印某些类型的弹性材料，但只有在 SLA Formlabs 打印机中使用 Silicone 40A Resin 才能创建质量和耐用性不亚于硅胶或热塑性聚氨酯成型部件的柔软连接器密封件。
从测试到成功面世：Silicone 40A Resin 满足行业的耐高温和耐化学腐蚀性要求
“Silicone 40A Resin 在柔韧性、可加工性方面完全符合我们的应用要求。到目前为止，在我们的测试中，Silicone 40A Resin 的耐化学腐蚀性与此应用中原本使用的铸造硅胶或注射成型硅胶不相上下。”
在汽车应用中，通常需要用到在水下 1 至 2 或 3 米（具体取决于应用）中仍具有出色防水性的密封件。此外，还要针对所有标准汽车液体（主要是水、油和变速器油）具有耐化学腐蚀性。为了测试这些部件，Cardwell 打印了几个样品部件，并在他的汽车发动机舱中进行了功能性测试。将打印的硅胶样品部件放置在发动机舱内（发动机正常工作），在超过六周的时间内测试温度和化学腐蚀性对样品部件的影响。
HGM Automotive Electronics 在汽车发动机冷却液箱内对 3D 打印的 Silicone 40A Resin 连接器密封件进行现场测试。
“我们将它们放置在发动机舱内的不同液体中进行热循环测试。并进行了水中测试、变速器油中的静态测试，以及防冻液测试，”Cardwell 说道。他补充说：“这些密封件实际上主要需要具有防水功能。” 经过六周的热循环和各种液体接触测试后，Cardwell 对 Silicone 40A Resin 的防水性和耐高温性非常满意。汽车电子产品的工作温度范围通常在 -40°C 至 105°C 之间。由于其玻璃化温度 (Tg) 为 -107°C，并且在 -25°C 至 125°C 之间具有良好的耐高温性，Silicone 40A Resin 完全符合他们对耐高温性的需求。“我对测试结果的预期是，这种材料的性能与注射成型硅胶相当”，而事实证明确实如此。Silicone 40A Resin 的材料特性完全符合他对成品材料的期望，从而成为他们材料库中的完美补充。
在经过全面的现场测试后，HGM 团队对这种新型纯硅胶树脂非常满意，它完全满足了他们的要求。他们计划将其用于连接器密封件的成品生产，并估计每年的产量在 500 到 1000 个部件之间。Cardwell 正在加紧扩展该树脂的使用范围，他补充说：“仅就连接器而言，至少有四种产品可以立即使用该树脂。
