典型無(wú)機(jī)非金屬材料增材制造研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

李金平

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，聯(lián)合生產(chǎn)（3D打印）已成為許多國(guó)家關(guān)注的焦點(diǎn)，許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)嘗試將非金屬材料應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文主要分析了增材制造的內(nèi)涵，闡釋了增材制造的分類(lèi)、發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用現(xiàn)狀，并介紹了增材制造中出現(xiàn)不良現(xiàn)象的原因和創(chuàng)新方法。

關(guān)鍵詞：無(wú)機(jī)非金屬材料;增材制造;應(yīng)用現(xiàn)狀

1、增材制造技術(shù)概述

1980 年代出現(xiàn)了增材制造。快速成型是美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家科學(xué)家提出的想法。這與材料壓縮和模具生產(chǎn)等傳統(tǒng)方法不同，附加制造技術(shù)采用計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)，然后利用激光、CNC等技術(shù)手段創(chuàng)建數(shù)字3D模型，將粉末、線材等離散材料轉(zhuǎn)化為“生長(zhǎng)”模式，實(shí)現(xiàn)金屬、陶瓷和有機(jī)物質(zhì)的快速成型。常規(guī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)如果在加工過(guò)程中難以產(chǎn)生薄壁和封閉型腔，則適用于單件或小件精密生產(chǎn)。它們廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，目前是各大高校的科研中心。隨著增材制造技術(shù)、理論、材料和設(shè)備的不斷發(fā)展，增材制造技術(shù)也在不斷發(fā)展。總的來(lái)說(shuō)，無(wú)機(jī)非金屬材料存在加工工藝傳統(tǒng)、加工復(fù)雜、生產(chǎn)工藝落后等缺點(diǎn)。加工技術(shù)難以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，導(dǎo)致非金屬材料加工成本高，盈利能力低。由于生產(chǎn)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家不斷尋找新的加工方法來(lái)改變傳統(tǒng)回收方法帶來(lái)的問(wèn)題。附加制造技術(shù)的出現(xiàn)消除了這些問(wèn)題，為常規(guī)非金屬材料的生產(chǎn)帶來(lái)了新的方

2、增材制造的分類(lèi)

2.1材料種類(lèi)劃分

根據(jù)生產(chǎn)材料中添加的各種添加劑，可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和生物材料。一般來(lái)說(shuō)，金屬材料、有機(jī)高分子材料和無(wú)機(jī)非金屬材料是生產(chǎn)添加劑的三種主要材料。金屬材料（主要是鈦合金、鎳合金、不銹鋼等）廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，特別適用于航空航天和要求高密度的小團(tuán)體行業(yè);無(wú)機(jī)非金屬材料（氧化鋁、氮化鋁等）廣泛應(yīng)用于生活，特別是陶瓷制品;有機(jī)高分子材料（如特種樹(shù)脂、光敏樹(shù)脂等）在日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是樹(shù)脂制品被人們所接受;生物材料被用來(lái)模擬人體組織的發(fā)展，科學(xué)家們正試圖生產(chǎn)可以替代人體組織的材料，幫助更多的人得以恢復(fù)健康。

2.2制造材料形態(tài)劃分

增材制造有多種形式，主要分為塵粒、線材、帶材和液體材料。通常來(lái)講，材料的形狀不同，熱源的形狀和條件也不相同。粉體、線材、帶材主要包括金屬、高分子材料和無(wú)機(jī)非金屬材料，液態(tài)材料主要包括有機(jī)高分子材料和無(wú)機(jī)非金屬材料。事實(shí)上，材料對(duì)添加劑的生產(chǎn)有重大影響。研究人員在制造過(guò)程中應(yīng)注意材料的種類(lèi)，針對(duì)不同形態(tài)類(lèi)型的加工參數(shù)設(shè)計(jì)，減少形態(tài)對(duì)零件的影響，降低內(nèi)應(yīng)力，提高質(zhì)量。目前，有少部分國(guó)內(nèi)外研究人員都在重點(diǎn)研究不同形狀材料下的成型工藝，試圖優(yōu)化成型工藝以獲得理想化的附加生產(chǎn)材料。

2.3制造熱源劃分

熱源在添加劑生產(chǎn)中起著重要的作用。熱源類(lèi)型主要有激光、電子束、電弧等。（1）激光。在激光鑲件的生產(chǎn)過(guò)程中，由激光裝置發(fā)出的激光束在鑲件的生產(chǎn)過(guò)程中起到熱源的作用，熱源用來(lái)傳遞熱量和熔化材料。一步一步的制造創(chuàng)造出一個(gè)三維模型，這是一種運(yùn)輸材料的方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序生成三個(gè)由惰性氣體保護(hù)的加工路徑。激光鑲件制造通常用于生產(chǎn)小型、復(fù)雜的金屬零件，是3D打印中的一項(xiàng)重要技術(shù)。許多科學(xué)家利用激光添加劑選擇合適的熔體材料和加工參數(shù)，設(shè)計(jì)制造高精度、低粗糙度的產(chǎn)品，然后進(jìn)行可加工或低邊際加工，但重點(diǎn)關(guān)注零件中的殘余應(yīng)力，防止不必要的裂縫。（2）電子束。電子束應(yīng)用的生產(chǎn)是利用高速電子束作為熱源，連續(xù)掃描和熔化金屬材料，生產(chǎn)精密材料。其實(shí)電子束和激光配件的制造原理是相似的，但不同的是熱源不同，工件尺寸不同。電子束主要用于制造大型和緊湊的航空航天零件。這種工藝大大優(yōu)于其他傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，降低了生產(chǎn)難度，提高了生產(chǎn)質(zhì)量。（3）電弧。電弧接頭的生產(chǎn)使用電弧作為熱源，包括用于生產(chǎn)金屬結(jié)構(gòu)的層。它是基于傳統(tǒng)的焊接技術(shù)（SAW，MIG，TIG等）。它的形成速度更快，但容易承受高壓力。變形量大、表面質(zhì)量差等主要缺陷需要二次加工。油添加劑制造過(guò)程中應(yīng)特別注意應(yīng)力變化，具有成本低、效率高的特點(diǎn)，適合鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)。其實(shí)彈簧配件的生產(chǎn)成本低，加工速度快。采用優(yōu)化的參數(shù)和熱處理方法，可以獲得品種齊全的高品質(zhì)產(chǎn)品，帶來(lái)很多經(jīng)濟(jì)效益，方便人民的日常生活和工作中使用。

3、典型無(wú)機(jī)非金屬材料增材制造的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1陶瓷3DP技術(shù)

3DP技術(shù)是陶瓷材料附加生產(chǎn)的一項(xiàng)重要技術(shù)。按原理不同可分為物理型（鍵合法）和相變反應(yīng)型（熔融法、光處理法）。主要用于模具領(lǐng)域。國(guó)外科學(xué)家采用模具，采用3DP技術(shù)制作復(fù)雜的陶瓷過(guò)濾器。在生物醫(yī)學(xué)中，石灰是制備血管移植支架的主要材料。需要指出的是，印刷材料是陶瓷3DP技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。粘結(jié)強(qiáng)度不足，力學(xué)性能差。印刷容易縮小尺寸，結(jié)構(gòu)變形，尺寸精度低。此外，3DP添加劑制造的產(chǎn)品容易產(chǎn)生需要人工修復(fù)的后處理缺陷，導(dǎo)致尺寸和精度顯著降低，而低強(qiáng)度則容易開(kāi)裂。采用溫度燒結(jié)方法，防止體積縮小，降低內(nèi)應(yīng)力。

3.2建筑類(lèi)材料應(yīng)用現(xiàn)狀

如今，增材制造的生產(chǎn)已經(jīng)引起了全世界的廣泛關(guān)注。主要特點(diǎn)是（1）可用于增產(chǎn)的各種建筑材料（石膏、混凝土等）;）（2）有許多類(lèi)型的設(shè)備。需要不同的設(shè)計(jì)形式來(lái)完成制造過(guò)程，以滿(mǎn)足不同尺寸和規(guī)格的建筑構(gòu)件和構(gòu)件;（3）印刷方式不同，生產(chǎn)時(shí)有幾種附加的生產(chǎn)方式;（4）預(yù)制與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)并行。目前，印刷施工技術(shù)尚不成熟，速度和精度難以適應(yīng)。因此，組裝和生產(chǎn)必須一起進(jìn)行。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)建筑業(yè)增產(chǎn)的發(fā)展方向主要是對(duì)勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工成本高的工序和工序進(jìn)行更新?lián)Q代。附加生產(chǎn)是一個(gè)涉及多學(xué)科的高科技生產(chǎn)體系，需要與實(shí)際施工技術(shù)相結(jié)合。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)機(jī)非金屬材料的增加是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向。盡管面臨諸多挑戰(zhàn)（材料、質(zhì)量、工藝等），但必須克服挑戰(zhàn)，創(chuàng)新生產(chǎn)工藝，提高效率，降低制造零件的質(zhì)量和生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，滿(mǎn)足工業(yè)化需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王耿，明憲良，汪小明，朱榮全，唐曄.增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)探討[J].航天標(biāo)準(zhǔn)化，2019（02）：11-13.

[2]楊延華.增材制造（3D打印）分類(lèi)及研究進(jìn)展[J].航空工程進(jìn)展，2019，10（03）：309-318.

[3]張海鴻，于方麗，唐健江，謝輝，孟廣慧.應(yīng)用型本科院校《無(wú)機(jī)非金屬材料》實(shí)踐類(lèi)課時(shí)滲透翻轉(zhuǎn)課堂創(chuàng)新教學(xué)模式研究[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（53）：161-164.

[4]陳維善.淺談典型無(wú)機(jī)非金屬材料增材制造研究與應(yīng)用[J].中國(guó)金屬通報(bào)，2018（06）：179+181.

[5]龔偉.典型無(wú)機(jī)非金屬材料增材制造與應(yīng)用現(xiàn)狀研究[J].建材與裝飾，2017（39）：249-250.

[6]于云，史廷春，孫芳芳，潘金德，楊勇.典型無(wú)機(jī)非金屬材料增材制造研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào)，2016，30（21）：119-129.