1.2　3D打印無機非金屬材料成形工藝概述

因為無機非金屬材料種類很多，形態各異，性質也不同，因此，現有幾乎所有3D打印工藝都可用于無機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，獲得預設結構坯體的3D打印工藝。該工藝具有成本低、設備維護簡單等特點。該工藝適用性強，打印材料可以是線材也可以是漿料，能夠實現膠凝材料、陶瓷材料、玻璃材料、復合材料等幾乎所有無機非金屬材料的打印成形。其中，FDM工藝屬于一種特殊的EFF工藝。

②黏結劑噴射成形（3DP）工藝　利用微液滴噴射技術，在粉床上將黏結劑噴射在需要成形的位置形成薄層并逐層黏結固化獲得三維實體。該工藝最大的特點是操作簡單，成本不高，適用于大多數無機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工藝還有一個很大優勢就是可成形尺寸大，大型砂型模具和建筑的3D打印都有采用該類工藝。由于黏結劑黏結強度較低，導致部件強度有限，并且黏結劑與粉體比例較高，導致3DP工藝難以獲得固相含量和致密度高、力學性能優良的制品。

③激光選區燒結成形（SLS）工藝　SLS工藝的原理是電腦控制激光束掃描粉床上的無機非金屬材料粉末，當有機黏結粉末或有機包覆層經過熔化和重新凝固的過程后，無機粉末被黏結成坯體。打印所用粉末可以是無機粉末和有機黏結粉末組成的混合粉末，也可以是表面包覆有機材料的無機粉末。理論上，陶瓷制品、玻璃制品和砂型等無機制品的打印皆可采用此種工藝。黏結劑的類型、用量以及加入黏結劑后的陶瓷密度低、力學性能差等問題一直制約著該技術的發展，難以得到高精度、高強度、高致密度的無機制品。同時，由于以激光作為熱源，打印設備造價和打印成本都比較高，后期維護相對復雜。

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）工藝和數字光處理成形（DLP）工藝。SL工藝是利用特定波長的光照射含有光敏樹脂的漿料，逐點固化，由點到線到面最終制備出坯體。DLP工藝是在SL工藝基礎上發展而來的，同樣是利用光固化光敏樹脂來實現成形，不同之處在于DLP工藝采用的是面曝光技術，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脂的成形。近幾年，將無機陶瓷粉體與光敏樹脂混合制成漿料，通過該工藝成形高精度、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、低黏度和高穩定性陶瓷漿料的配制是目前的研究熱點和難點。

⑤激光選區熔化成形（SLM）工藝　SLM工藝是無機非金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化，經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，免燒結工藝。但由于成形過程熱應力很大，陶瓷制品產生裂紋是目前該工藝的研究難點。

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件的一種工藝。IJP工藝具有成形原理簡單、適用材料體系廣、打印成本低、易產業化等優勢，但要求粉末粒徑分布均勻、漿料流動性好并且穩定性非常好。另外，噴墨打印頭容易堵塞，對于高度不同和內部多孔的三維結構的打印成形比較困難。

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

表1-1　無機非金屬材料3D打印工藝對比