典型无机非金属材料增材制造现状与创新研究

典型无机非金属材料增材制造现状与创新研究

朱明生

身份证号码510811197610292771

摘要：随着科学技术的快速进步，增材制造（3D打印）技术得到了快速发展，已经成为国内外研究的热点，我国在无机非金属材料制造领域方面进行了大量的研究，并取得了较大的进展和成效，具有非常大的应用空间。本文阐述了无机非金属材料增材制造发展情况，分析了典型无机非金属材料增材制造的应用现状以及创新路径。

关键词：无机非金属材料；增材制造；应用现状；创新路径

一、无机非金属材料增材制造发展

（一）无机非金属材料3D成形发展现状

三维打印（3D）技术起源于美国麻省理工学院，是一种类似于微滴喷射方式来进行增材制造的过程。目前，国内外的3D成形技术主要应用方向是陶瓷材料。作为一类重要无机非金属材料，陶瓷材料有着大多数无机非金属材料的众多优点，如，高强度、耐腐蚀、耐高温等。国外在20世纪90年代就开始研究Al2O3陶瓷材料，美国学者Sachs等人通过3D打印方法制备模具替代传统模具，成形过程时间短、干燥时间短。此外，德国学者R.Melecher等人运用3D打印技术制造出Al2O3胚体，再经高温煅烧制取陶瓷制品，然后在高温状态下来制备得到复合体，获得理想材料。我国学者运用3D打印技术制作出Si3N4陶瓷制品，有着较好抗弯强度。

（二）无机非金属材料SLS成形发展现状

SLS由美国得克萨斯大学奥斯汀分校最早提出，先在表面预置粉末，再由激光进行烧结、固化，层层叠加而得到所需形状的零件。从黏结剂角度来看，在成形中分为需要添加黏结剂、不黏加粘结剂两类，材料以无机非金属材料、高分子材料为主。在无机非金属材料中，SLS成形主要用于陶瓷材料成形，重点制备Al2O3、ZrO2、SiC以及某些复合陶瓷制品，取得了良好效果。以Al2O3的SLS成形为例，以激光作为热源逐层烧结制备出陶瓷型坯，经过脱脂、烧结等方式得到理想型坯，改变了传统陶瓷制备慢、成型效果差的问题。

（三）无机非金属材料SLM成形发展现状

在SLS基础，国外科学家展开SLM研究，选择恰当热源（一般为激光）融化固体粉末，以层层叠加方式获得零件。相较于SLS技术，SLM在制造过程中无须添加黏结剂，融化多为金属或合金粉末，制造零件内部结构复杂。由于SLM选择热源多为激光，零件加工中内部有较大应力，往往会出现很多裂纹，因此，热温度控制是成型中最重要因素，国内外专家对此进行深入研究。

二、典型无机非金属材料增材制造的应用现状

（一）陶瓷类材料应用现状

陶瓷3DP技术。3DP技术是陶瓷材料增材制造重要技术，根据原理不同分为物理型（粘结方式）和相变反应型（熔融、光固化方式）两种，主要应用于模具和医疗器械领域，国外学者利用黏结材料3DP技术制造模具，得到复杂陶瓷过滤器。在生物医疗方面，用石灰作为基材制作支架，用于血管移植。值得注意的是，打印材料是陶瓷3DP技术推广应用的关键因素，存在着黏结强度不足、力学性能差的现象，打印得到坯体容易出现体积收缩、结构变形大，尺寸和精度差的现象。此外，3DP增材制造得到产品后处理中很容易出现缺陷，需要人工修补引发尺寸及精度明显下降，加之强度低容易出现裂纹等，针对上述情况，采取常规高温烧结等方式避免出现体积收缩、减少内在应力。目前，3DP成型技术仍然是陶瓷增材制造的主流工艺，国内外学者围绕如何提升零件强度和精度展开研究，探讨如何优化后处理工艺，同时，梯度材料和复合材料是新型高性能陶瓷零件制备也是陶瓷领域研究的重要方向。

陶瓷光固化成型技术。光固化成型技术是指借助计算机控制特定波长的光，融化光敏树脂层层覆盖最后得到要制取的实体模型。目前，光固化成型技术最早是由美国3DSystem公司进行商业化应用，提出了把光固化成型技术与陶瓷材料制备相结合，所获得的陶瓷坯体精度较高、内应力小，能够获得理想的高性能陶瓷制品。目前，光固化成型技术在陶瓷方面显示了良好应用前景，但是也存在着很多难题，如，陶瓷浆料的配制、制备工艺十分复杂。此外，在陶瓷坯体中含有大量有机成分，使用光固化成型技术在脱脂和烧结的后续处理中容易出现变形、开裂等问题，降低了零件陶瓷性能，使之不符合要求。

（二）建筑类材料应用现状

在建筑业，增材制造不同于传统工业制造，技术手段结合机械、自动化和信息技术。实际上，建筑工程自古以来就是通过一砖一瓦堆砌，再进行现场浇筑，实现构建装配，体现着增材制造特征。改革开放以来，我国建筑业自动化水平有了很大提高，但是仍然存在着劳动强度大、工作环境差等多个特点，随着人口红利逐步消失，建筑业慢慢出现了“招工难”“用工荒”等问题。建筑类增材制造代替了传统施工中人力建造过程，提升了建造效率，推进建筑业现代化。目前，增材制造在世界上引起了人们广泛关注，主要具有以下特点：（1）建筑材料多种多样（石膏、混凝土等），均可以应用于增材制造；（2）设备种类多，要想满足建筑业构件、部件等不同尺寸、精度，要求采取多种结构形式来满足制造过程；（3）打印方式多样，出现了多种增材制造方式进行制造；（4）预制和现场制造并行，当前打印建造工艺并不成熟，速度和精度难以匹配，需要预制与现场制造共同完成。随着科技的快速发展，我国建筑行业增材制造发展方向主要是为了替代劳动强度大、人工成本高的作业工艺和工序。增材制造需要结合实际施工工艺，涉及多个专业，是一项技术含量高的制造系统。房屋是一个整体系统，除了整体结构外，还包括管道、保温、装饰等多个结构，只有解决上述问题，才能实现增材制造工业化。在增材制造过程中，房屋打印过程要选取合适设备来制作框架，多个方向和维度来制得房屋。

三、无机非金属材料增材制造创新路径

目前，我国无机非金属材料增材制造有了很大发展，未来将改变制造业，因此，要跟随世界潮流，激发研究者的创新精神，从以下几个方面推动增材制造创新发展。

（一）推动产业转型升级

增材制造创新和发展有赖于主管部门的管理，相关部门要抓住增材制造历史时机，推动各行各业产业转型升级，以“循序渐进、鼓励创新”原则来推动材料、装备、技术、后处理等方面创新发展，通过集中攻关来取得增材制造领域突破性进展，提升资源利用率，实现产业化应用，有效提升零件的质量，加快增材制造产业升级步伐。

（二）多专业联合攻关

增材制造是一项朝阳产业，能够带动机械、材料等多个产业的发展，创新制造方式，实现高质量、高效率绿色制造。针对增材制造所表现出来的优势，管理部门要促进增材制造“产学研”一体化，引导学校、企业等多方面力量投入到无机非金属增材制造研究之中，开展科技联合攻关，取得一批标志性的成果，进而实现机械、材料、自动化和计算机等多方面融合，牢牢把握技术创新主动权。

（三）出台政策积极扶持

针对当前增材制造遇到的瓶颈，高校与企业成立技术联盟，鼓励研究人员加强交流，采取“走出去、引进来”方式，加快形成跨学科的技术团队，突破“卡脖子”技术，实现产业化发展。设立基金、出台鼓励机制来带动增材制造产业发展，给高校和企业一定政策支持和税收优惠，激发研究者创新积极性，引导参与产业创新发展。

总之，无机非金属材料增材制造是未来发展方向，虽然遇到很多困难（材料、质量、工艺等），但要迎难而上，创新制造过程，提升制造零件效率和质量，降低制造成本，从而实现产业化、满足行业需求。

参考文献:

[1]任雨松，花国然，罗新华，等．SiC纳米陶瓷粉末激光烧结成形试验研究[J]．激光技术，2006（4）：402-405.

[2]刘骥远，吴懋亮，蔡杰，等．工艺参数对３Ｄ打印陶瓷零件质量的影响[J]．上海电力学院学报，2015（4）：376-380.

[3]王维，王兴良，佟明，等．选择性激光烧结快速成型制件翘曲变形的研究[J]．制造技术与机床，2010（4）：127-133.

[4]刘威，刘婷婷，廖文和，等．陶瓷材料选择性激光烧结/熔融技术研究与应用现状[J]．硅酸盐通报，2014（11）：2881-2896.