1.2　3D打印無(wú)機(jī)非金屬材料成形工藝概述

因?yàn)闊o(wú)機(jī)非金屬材料種類很多，形態(tài)各異，性質(zhì)也不同，因此，現(xiàn)有幾乎所有3D打印工藝都可用于無(wú)機(jī)非金屬材料的打印成形：

①材料擠出成形（EFF）工藝　EFF工藝是通過(guò)氣壓、活塞或者螺旋等各種方式將材料從噴嘴中擠出獲得絲材并逐層疊加，獲得預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)坯體的3D打印工藝。該工藝具有成本低、設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。該工藝適用性強(qiáng)，打印材料可以是線材也可以是漿料，能夠?qū)崿F(xiàn)膠凝材料、陶瓷材料、玻璃材料、復(fù)合材料等幾乎所有無(wú)機(jī)非金屬材料的打印成形。其中，F(xiàn)DM工藝屬于一種特殊的EFF工藝。

②黏結(jié)劑噴射成形（3DP）工藝　利用微液滴噴射技術(shù)，在粉床上將黏結(jié)劑噴射在需要成形的位置形成薄層并逐層黏結(jié)固化獲得三維實(shí)體。該工藝最大的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，成本不高，適用于大多數(shù)無(wú)機(jī)非金屬粉體材料成形，如水泥粉體材料、陶瓷粉體材料、石膏材料等。3DP工藝還有一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)就是可成形尺寸大，大型砂型模具和建筑的3D打印都有采用該類工藝。由于黏結(jié)劑黏結(jié)強(qiáng)度較低，導(dǎo)致部件強(qiáng)度有限，并且黏結(jié)劑與粉體比例較高，導(dǎo)致3DP工藝難以獲得固相含量和致密度高、力學(xué)性能優(yōu)良的制品。

③激光選區(qū)燒結(jié)成形（SLS）工藝　SLS工藝的原理是電腦控制激光束掃描粉床上的無(wú)機(jī)非金屬材料粉末，當(dāng)有機(jī)黏結(jié)粉末或有機(jī)包覆層經(jīng)過(guò)熔化和重新凝固的過(guò)程后，無(wú)機(jī)粉末被黏結(jié)成坯體。打印所用粉末可以是無(wú)機(jī)粉末和有機(jī)黏結(jié)粉末組成的混合粉末，也可以是表面包覆有機(jī)材料的無(wú)機(jī)粉末。理論上，陶瓷制品、玻璃制品和砂型等無(wú)機(jī)制品的打印皆可采用此種工藝。黏結(jié)劑的類型、用量以及加入黏結(jié)劑后的陶瓷密度低、力學(xué)性能差等問(wèn)題一直制約著該技術(shù)的發(fā)展，難以得到高精度、高強(qiáng)度、高致密度的無(wú)機(jī)制品。同時(shí)，由于以激光作為熱源，打印設(shè)備造價(jià)和打印成本都比較高，后期維護(hù)相對(duì)復(fù)雜。

④光固化成形工藝　光固化成形工藝主要分為兩種：立體光固化成形（SL）工藝和數(shù)字光處理成形（DLP）工藝。SL工藝是利用特定波長(zhǎng)的光照射含有光敏樹(shù)脂的漿料，逐點(diǎn)固化，由點(diǎn)到線到面最終制備出坯體。DLP工藝是在SL工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，同樣是利用光固化光敏樹(shù)脂來(lái)實(shí)現(xiàn)成形，不同之處在于DLP工藝采用的是面曝光技術(shù)，打印效率高，但是精度和打印尺寸受限。光固化成形工藝最早主要用于高分子樹(shù)脂的成形。近幾年，將無(wú)機(jī)陶瓷粉體與光敏樹(shù)脂混合制成漿料，通過(guò)該工藝成形高精度、高固相含量的陶瓷坯體成為陶瓷材料3D打印的主流研究工藝。高固相含量、低黏度和高穩(wěn)定性陶瓷漿料的配制是目前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

⑤激光選區(qū)熔化成形（SLM）工藝　SLM工藝是無(wú)機(jī)非金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化，經(jīng)冷卻凝固而成形的一種工藝。該工藝是金屬材料3D打印的主流工藝，但是理論上也可用于陶瓷制品的一次直接制備，免燒結(jié)工藝。但由于成形過(guò)程熱應(yīng)力很大，陶瓷制品產(chǎn)生裂紋是目前該工藝的研究難點(diǎn)。

⑥噴墨打印成形（IJP）工藝　IJP工藝是含有非金屬粉末的漿料直接由噴嘴噴出以沉積成構(gòu)件的一種工藝。IJP工藝具有成形原理簡(jiǎn)單、適用材料體系廣、打印成本低、易產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)勢(shì)，但要求粉末粒徑分布均勻、漿料流動(dòng)性好并且穩(wěn)定性非常好。另外，噴墨打印頭容易堵塞，對(duì)于高度不同和內(nèi)部多孔的三維結(jié)構(gòu)的打印成形比較困難。

⑦疊層實(shí)體制造成形（LOM）工藝　LOM工藝是激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將陶瓷流延片材切割出所需的內(nèi)外輪廓，然后按照順序進(jìn)行疊加成形為三維實(shí)體的一種工藝。該工藝成形效率很高，無(wú)需支撐，但由于需將片材進(jìn)行切割疊加，不可避免地產(chǎn)生大量材料浪費(fèi)的現(xiàn)象，利用率較低。另外，該工藝不適合打印復(fù)雜、中空的零件，成形坯體各方向力學(xué)性能相差較大，層與層之間存在較為明顯的臺(tái)階效應(yīng)，最終成品的邊界需要進(jìn)行拋光打磨等后處理。表1-1為7種無(wú)機(jī)非金屬材料3D打印工藝在材料、固化機(jī)制、成形及支撐方面的對(duì)比。

表1-1　無(wú)機(jī)非金屬材料3D打印工藝對(duì)比