1.2　3D打印无机非金属材料成形工艺概述

因为无机非金属材料种类很多，形态各异，性质也不同，因此，现有几乎所有3D打印工艺都可用于无机非金属材料的打印成形：

①材料挤出成形（EFF）工艺　EFF工艺是通过气压、活塞或者螺旋等各种方式将材料从喷嘴中挤出获得丝材并逐层叠加，获得预设结构坯体的3D打印工艺。该工艺具有成本低、设备维护简单等特点。该工艺适用性强，打印材料可以是线材也可以是浆料，能够实现胶凝材料、陶瓷材料、玻璃材料、复合材料等几乎所有无机非金属材料的打印成形。其中，FDM工艺属于一种特殊的EFF工艺。

②黏结剂喷射成形（3DP）工艺　利用微液滴喷射技术，在粉床上将黏结剂喷射在需要成形的位置形成薄层并逐层黏结固化获得三维实体。该工艺最大的特点是操作简单，成本不高，适用于大多数无机非金属粉体材料成形，如水泥粉体材料、陶瓷粉体材料、石膏材料等。3DP工艺还有一个很大优势就是可成形尺寸大，大型砂型模具和建筑的3D打印都有采用该类工艺。由于黏结剂黏结强度较低，导致部件强度有限，并且黏结剂与粉体比例较高，导致3DP工艺难以获得固相含量和致密度高、力学性能优良的制品。

③激光选区烧结成形（SLS）工艺　SLS工艺的原理是电脑控制激光束扫描粉床上的无机非金属材料粉末，当有机黏结粉末或有机包覆层经过熔化和重新凝固的过程后，无机粉末被黏结成坯体。打印所用粉末可以是无机粉末和有机黏结粉末组成的混合粉末，也可以是表面包覆有机材料的无机粉末。理论上，陶瓷制品、玻璃制品和砂型等无机制品的打印皆可采用此种工艺。黏结剂的类型、用量以及加入黏结剂后的陶瓷密度低、力学性能差等问题一直制约着该技术的发展，难以得到高精度、高强度、高致密度的无机制品。同时，由于以激光作为热源，打印设备造价和打印成本都比较高，后期维护相对复杂。

④光固化成形工艺　光固化成形工艺主要分为两种：立体光固化成形（SL）工艺和数字光处理成形（DLP）工艺。SL工艺是利用特定波长的光照射含有光敏树脂的浆料，逐点固化，由点到线到面最终制备出坯体。DLP工艺是在SL工艺基础上发展而来的，同样是利用光固化光敏树脂来实现成形，不同之处在于DLP工艺采用的是面曝光技术，打印效率高，但是精度和打印尺寸受限。光固化成形工艺最早主要用于高分子树脂的成形。近几年，将无机陶瓷粉体与光敏树脂混合制成浆料，通过该工艺成形高精度、高固相含量的陶瓷坯体成为陶瓷材料3D打印的主流研究工艺。高固相含量、低黏度和高稳定性陶瓷浆料的配制是目前的研究热点和难点。

⑤激光选区熔化成形（SLM）工艺　SLM工艺是无机非金属粉末在激光束的热作用下完全熔化，经冷却凝固而成形的一种工艺。该工艺是金属材料3D打印的主流工艺，但是理论上也可用于陶瓷制品的一次直接制备，免烧结工艺。但由于成形过程热应力很大，陶瓷制品产生裂纹是目前该工艺的研究难点。

⑥喷墨打印成形（IJP）工艺　IJP工艺是含有非金属粉末的浆料直接由喷嘴喷出以沉积成构件的一种工艺。IJP工艺具有成形原理简单、适用材料体系广、打印成本低、易产业化等优势，但要求粉末粒径分布均匀、浆料流动性好并且稳定性非常好。另外，喷墨打印头容易堵塞，对于高度不同和内部多孔的三维结构的打印成形比较困难。

⑦叠层实体制造成形（LOM）工艺　LOM工艺是激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将陶瓷流延片材切割出所需的内外轮廓，然后按照顺序进行叠加成形为三维实体的一种工艺。该工艺成形效率很高，无需支撑，但由于需将片材进行切割叠加，不可避免地产生大量材料浪费的现象，利用率较低。另外，该工艺不适合打印复杂、中空的零件，成形坯体各方向力学性能相差较大，层与层之间存在较为明显的台阶效应，最终成品的边界需要进行抛光打磨等后处理。表1-1为7种无机非金属材料3D打印工艺在材料、固化机制、成形及支撑方面的对比。

表1-1　无机非金属材料3D打印工艺对比