典型無機非金屬材料增材制造研究與應用現狀

李金平

摘要：隨著科學技術的飛速發展，聯合生產（3D打印）已成為許多國家關注的焦點，許多研究機構和企業嘗試將非金屬材料應用于各個領域。本文主要分析了增材制造的內涵，闡釋了增材制造的分類、發展趨勢和應用現狀，并介紹了增材制造中出現不良現象的原因和創新方法。

關鍵詞：無機非金屬材料;增材制造;應用現狀

1、增材制造技術概述

1980 年代出現了增材制造。快速成型是美國、日本等發達國家科學家提出的想法。這與材料壓縮和模具生產等傳統方法不同，附加制造技術采用計算機輔助制造技術，然后利用激光、CNC等技術手段創建數字3D模型，將粉末、線材等離散材料轉化為“生長”模式，實現金屬、陶瓷和有機物質的快速成型。常規復雜結構如果在加工過程中難以產生薄壁和封閉型腔，則適用于單件或小件精密生產。它們廣泛應用于航空、醫學等領域，目前是各大高校的科研中心。隨著增材制造技術、理論、材料和設備的不斷發展，增材制造技術也在不斷發展。總的來說，無機非金屬材料存在加工工藝傳統、加工復雜、生產工藝落后等缺點。加工技術難以滿足生產需要，導致非金屬材料加工成本高，盈利能力低。由于生產問題，國內外科學家不斷尋找新的加工方法來改變傳統回收方法帶來的問題。附加制造技術的出現消除了這些問題，為常規非金屬材料的生產帶來了新的方

2、增材制造的分類

2.1材料種類劃分

根據生產材料中添加的各種添加劑，可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和生物材料。一般來說，金屬材料、有機高分子材料和無機非金屬材料是生產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）廣泛應用于工業生產，特別適用于航空航天和要求高密度的小團體行業;無機非金屬材料（氧化鋁、氮化鋁等）廣泛應用于生活，特別是陶瓷制品;有機高分子材料（如特種樹脂、光敏樹脂等）在日常生活中得到了廣泛的應用，特別是樹脂制品被人們所接受;生物材料被用來模擬人體組織的發展，科學家們正試圖生產可以替代人體組織的材料，幫助更多的人得以恢復健康。

2.2制造材料形態劃分

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、高分子材料和無機非金屬材料，液態材料主要包括有機高分子材料和無機非金屬材料。事實上，材料對添加劑的生產有重大影響。研究人員在制造過程中應注意材料的種類，針對不同形態類型的加工參數設計，減少形態對零件的影響，降低內應力，提高質量。目前，有少部分國內外研究人員都在重點研究不同形狀材料下的成型工藝，試圖優化成型工藝以獲得理想化的附加生產材料。

2.3制造熱源劃分

熱源在添加劑生產中起著重要的作用。熱源類型主要有激光、電子束、電弧等。（1）激光。在激光鑲件的生產過程中，由激光裝置發出的激光束在鑲件的生產過程中起到熱源的作用，熱源用來傳遞熱量和熔化材料。一步一步的制造創造出一個三維模型，這是一種運輸材料的方法，通過計算機程序生成三個由惰性氣體保護的加工路徑。激光鑲件制造通常用于生產小型、復雜的金屬零件，是3D打印中的一項重要技術。許多科學家利用激光添加劑選擇合適的熔體材料和加工參數，設計制造高精度、低粗糙度的產品，然后進行可加工或低邊際加工，但重點關注零件中的殘余應力，防止不必要的裂縫。（2）電子束。電子束應用的生產是利用高速電子束作為熱源，連續掃描和熔化金屬材料，生產精密材料。其實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。這種工藝大大優于其他傳統的生產方法，降低了生產難度，提高了生產質量。（3）電弧。電弧接頭的生產使用電弧作為熱源，包括用于生產金屬結構的層。它是基于傳統的焊接技術（SAW，MIG，TIG等）。它的形成速度更快，但容易承受高壓力。變形量大、表面質量差等主要缺陷需要二次加工。油添加劑制造過程中應特別注意應力變化，具有成本低、效率高的特點，適合鋼鐵產品的生產。其實彈簧配件的生產成本低，加工速度快。采用優化的參數和熱處理方法，可以獲得品種齊全的高品質產品，帶來很多經濟效益，方便人民的日常生活和工作中使用。

3、典型無機非金屬材料增材制造的應用現狀

3.1陶瓷3DP技術

3DP技術是陶瓷材料附加生產的一項重要技術。按原理不同可分為物理型（鍵合法）和相變反應型（熔融法、光處理法）。主要用于模具領域。國外科學家采用模具，采用3DP技術制作復雜的陶瓷過濾器。在生物醫學中，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技術推廣應用的關鍵因素。粘結強度不足，力學性能差。印刷容易縮小尺寸，結構變形，尺寸精度低。此外，3DP添加劑制造的產品容易產生需要人工修復的后處理缺陷，導致尺寸和精度顯著降低，而低強度則容易開裂。采用溫度燒結方法，防止體積縮小，降低內應力。

3.2建筑類材料應用現狀

如今，增材制造的生產已經引起了全世界的廣泛關注。主要特點是（1）可用于增產的各種建筑材料（石膏、混凝土等）;）（2）有許多類型的設備。需要不同的設計形式來完成制造過程，以滿足不同尺寸和規格的建筑構件和構件;（3）印刷方式不同，生產時有幾種附加的生產方式;（4）預制與現場生產并行。目前，印刷施工技術尚不成熟，速度和精度難以適應。因此，組裝和生產必須一起進行。隨著科學技術的飛速發展，我國建筑業增產的發展方向主要是對勞動強度大、人工成本高的工序和工序進行更新換代。附加生產是一個涉及多學科的高科技生產體系，需要與實際施工技術相結合。

結語

綜上所述，無機非金屬材料的增加是未來發展的一個方向。盡管面臨諸多挑戰（材料、質量、工藝等），但必須克服挑戰，創新生產工藝，提高效率，降低制造零件的質量和生產成本，實現工業化，滿足工業化需求。

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