3D打印材料丛书--3D打印无机非金属材料

2017年3月，中国工程院启动了“中国3D打印材料及应用发展战略研究”咨询项目。中国工程院化工、冶金与材料工程学部联合机械、卫生等学部26位院士，组织了全国100余位3D打印领域的专家学者，历时两年的时间完成了该咨询项目，并在咨询报告的基础上，组织出版“3D打印材料丛书”。 《3D打印无机非金属材料》是“3D打印材料丛书”之一，从材料角度出发，系统介绍了陶瓷材料、胶凝材料、玻璃材料、砂型以及复合材料等各类3D打印无机非金属材料的材料制备、工艺原理以及应用等方面的基础理论与国内外研究进展，对推动我国3D打印技术的发展将起到积极作用。

3D打印作为第三次工业革命的代表性技术，是21世纪以来智能制造等领域关注的焦点，已经得到学术界和产业界的共同推动，并受到各国政府的重视与大力支持。无机非金属材料是三大类基础材料之一。理论上，所有的无机非金属材料都可以通过现有的3D打印工艺实现复杂制品的成形。虽然无机非金属材料是种类最多、产量和用量最大的基础材料，但是，无机非金属材料3D打印技术无论在专用装备和专用材料开发还是应用领域拓展等方面都较聚合物材料和金属材料滞后。这一方面是由于社会各界对无机非金属材料的3D打印未能给予足够重视，缺乏应用牵引；另一方面也是因为无机非金属材料的多样性和复杂性，且一般具有熔点高、脆性大和缺陷敏感性强等特点，导致其3D打印难度较大，需开展更深入的研究。
从材料体系分析，胶凝材料、陶瓷材料和玻璃材料仍然是现今无机非金属材料3D打印技术应用的主要材料体系。混凝土、石膏和骨水泥等无机胶凝材料，氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷以及碳化硅陶瓷等陶瓷材料以及硅酸盐玻璃材料等，都是较早研究并逐渐应用的无机非金属材料。另外，石墨烯材料的打印以及以碳纤维、玻璃纤维等为增强材料的复合材料等先进无机非金属材料的3D打印也正在受到越来越多的关注。针对不同打印工艺的专用材料是目前无机非金属材料3D打印的瓶颈，也是研究热点。
从打印工艺看，目前已有的几乎所有3D打印工艺都可适用于无机非金属的成形。特别是黏结剂喷射、挤出成形等工艺在无机非金属材料成形方面有极为广泛的应用。但是，相关专用装备开发滞后是无机非金属材料3D打印发展的一个制约因素。
从应用的广度与深度分析，无机非金属材料3D打印已经在文创、设计、建筑、医学以及部分高技术领域得到一定的应用。特别是在模具制造方面，砂型打印使得传统砂型制造得到质的改变，不仅砂型复杂结构的构建得到提升，而且在环保等方面也有明显改善。另外，3D打印技术也为以无机非金属材料为主体的一体化器件成形、多材料打印等提供了可能。然而，目前无机非金属材料3D打印无论在应用的广泛性还是引领性、影响性等方面暂时还无法与聚合物材料和金属材料相比拟。
基于以上现状，本书从材料角度出发，介绍材料的性能、制备、成形和应用等，为行业专业人员和学生全面了解、系统学习无机非金属材料3D打印相关知识提供参考，以推动无机非金属材料3D打印的研究、应用与产业发展。
全书共7章，由沈晓冬担任主编，史玉升、伍尚华、张景贤担任副主编，负责拟定大纲和编写主要内容，唐明亮、吴甲民负责全书内容的整理。各章节编写分工为：第1章由沈晓冬、唐明亮编写；第2章由史玉升、伍尚华、吴甲民、沈春英、殷小玮、范晓孟、吴东江、马广义、张景贤、李伶、李艳辉、马涛编写；第3章由徐博编写；第4章由沈晓冬、唐明亮、赖建中、张垠、马素花、汤兵、郑海、王振地、张宇编写；第5章由钱颖锋、彭凡、文世峰、刘轶编写；第6章由张强强、王晓钧编写；第7章由沈晓冬、史玉升、伍尚华、张景贤、唐明亮、吴甲民编写。
本书多处引用了国内外文献，在参考文献中都标明了出处，在此向相关作者表示感谢。同时也感谢南京工业大学、江苏薄荷新材料科技有限公司和共享装备股份有限公司等单位给予本书出版的大力支持。另外，由于无机非金属材料3D打印还处于研究起步阶段，部分材料研究还较少，相关文献不多，本书也在多处首次引用了编写团队未发表的相关研究成果。
鉴于作者水平所限，书中难免有不妥之处，敬请各位专家、同行以及读者批评指正。

编者
2020年4月

沈晓冬，南京工业大学，院长/教授、博导，“973”计划项目首席科学家、“教育部创新团队”负责人、“国家百千万人才工程”国家 级人才、国务院特殊津贴获得者、2006年江苏省第二届十大杰出专利发明人、2009年第八届南京市“十大科技之星”。兼任中国绝热节能材料协会副会长、首席专家、气凝胶分会创会会长，中国硅酸盐学会绝热分会副理事长、水泥分会副理事长，江苏省硅酸盐学会副理事长，南京硅酸盐学会理事长等职务。承担了教育部创新团队项目及其滚动项目、973、863及重点研发项目、总装备部重点预研项目、国家自然科学基金项目等30余项。研究成果在Energy & Environmental Science、Cement and Concrete Research、Nanomaterials等国际期刊发表近300篇学术论文，获得中国授权发明专利38件，美国、欧洲与日本国际发明专利5件，主编专著4部。先后获得国家科技进步二等奖1项、教育部高等学校科学研究优 秀成果奖技术发明二等奖、江苏省科技进步一等奖1项、江苏省技术进步二等奖、中国资源综合利用协会科学技术二等奖以及中国石油和化学工业协会技术发明和科技进步二等奖等8项，教育成果获江苏省高等教育教学成果特等奖1项。成果在高性能水泥基材料和粉煤灰综合利用等领域得到大规模应用，综合利用产值超过 60亿元。

《3D打印无机非金属材料》结合作者在无机非金属材料3D打印方面的研究经验与成果，从材料角度出发，系统介绍了陶瓷材料、胶凝材料、玻璃材料、型砂以及无机复合材料等各类3D打印无机非金属材料的制备、工艺原理以及应用等方面的基础理论与国内外最新研究进展。书中基于3D打印工艺及应用需求对所用材料制备方法、成形机制等的介绍有助于读者从材料制备全过程视角理解3D打印无机非金属材料、工艺和专用装备开发及产业应用存在的关键问题和发展方向。
本书可供从事3D打印材料研发、设计、生产、应用的科研、工程技术人员及相关部门管理人员参考阅读，也可作为大专院校材料、机械等专业本科生及研究生的教材。

第1章绪论1
1.13D打印无机非金属材料特性与分类2
1.1.13D打印无机非金属材料特性2
1.1.23D打印无机非金属材料分类2
1.23D打印无机非金属材料成形工艺概述4
1.3无机非金属材料3D打印技术的发展5
1.43D打印无机非金属材料应用6
1.4.1生物医疗领域6
1.4.2设计领域6
1.4.3模具制造领域7
1.4.4建筑领域8
1.4.5其他领域8
参考文献8

第2章3D打印陶瓷材料11
2.13D打印陶瓷原料与制备技术12
2.1.13D打印陶瓷粉体的制备方法13
2.1.23D打印陶瓷浆料的制备方法15
2.1.33D打印陶瓷丝材的制备方法21
2.1.43D打印陶瓷片材的制备方法21
2.2激光选区烧结成形技术22
2.2.1激光选区烧结成形技术用原材料与制备22
2.2.2激光选区烧结成形过程26
2.2.3激光选区烧结成形坯体特点与热处理27
2.3光固化成形技术32
2.3.1光固化成形技术用原材料与制备33
2.3.2光固化成形过程38
2.3.3光固化成形陶瓷坯体的特点与热处理42
2.4三维喷印成形技术46
2.4.1三维喷印成形技术用原材料及黏结剂46
2.4.2三维喷印成形过程48
2.4.3三维喷印成形坯体特点与后处理50
2.5激光选区熔化成形技术56
2.5.1激光选区熔化成形技术用原材料57
2.5.2激光选区熔化成形过程57
2.5.3激光选区熔化成形坯体特点及缺陷调控58
2.6其他成形技术65
2.6.1挤出成形技术65
2.6.2墨水直写成形技术65
2.6.3熔融沉积成形技术67
2.6.4分层实体制造成形技术69
2.7陶瓷3D打印技术的应用72
2.7.1文化创意领域72
2.7.2建筑领域75
2.7.3航空航天领域77
2.7.4医疗领域79
2.7.5电子领域82
2.7.6汽车领域85
参考文献89

第3章3D打印无机胶凝材料99
3.13D打印混凝土100
3.1.1水泥基材料及硬化机制100
3.1.2混凝土3D打印工艺103
3.1.3混凝土3D打印技术在建筑上的应用107
3.23D打印生物水泥113
3.2.1生物医学领域的生物水泥113
3.2.2生物水泥的制备114
3.2.3生物水泥3D打印工艺116
3.2.4生物水泥3D打印的应用118
3.33D打印石膏121
3.3.1石膏材料及硬化机制121
3.3.2石膏3D打印工艺、材料与装备125
3.3.3石膏3D打印影响因素与改进措施127
3.3.43D打印石膏的应用133
参考文献137

第4章3D打印玻璃材料143
4.1玻璃工艺基础144
4.1.1玻璃特性与组分144
4.1.2玻璃熔制与烧结144
4.2用于3D打印的玻璃原料146
4.2.1玻璃粉与造粒粉146
4.2.2玻璃微珠148
4.2.3玻璃纤维149
4.2.4玻璃凝胶149
4.2.5玻璃浆料150
4.33D打印玻璃成形工艺151
4.3.1分层实体制造工艺151
4.3.2直接打印成形工艺152
4.3.3间接打印成形工艺167
4.3.4透明精细玻璃结构的制备174
4.43D打印玻璃的应用177
4.4.1玻璃器件及工艺品的无模制备177
4.4.2玻璃基材料的近净成形177
4.4.3玻璃基光电器件177
参考文献178

第5章3D打印型砂181
5.13D打印覆膜砂182
5.1.1覆膜砂特点及制备183
5.1.2成形工艺对覆膜砂成形性的影响185
5.1.3覆膜砂激光选区烧结的应用190
5.23D打印树脂砂192
5.2.1树脂砂3DP工艺材料193
5.2.2树脂砂3DP工艺对砂型成形的影响197
5.2.3树脂砂3DP工艺及应用实例202
参考文献210

第6章3D打印无机复合材料215
6.13D打印纤维复合材料216
6.1.13D打印纤维复合材料分类及特点216
6.1.2纤维复合材料3D打印成形工艺218
6.1.33D打印纤维复合材料的应用225
6.23D打印颗粒增强复合材料227
6.2.1颗粒增强材料分类及特点227
6.2.2颗粒增强复合材料3D打印成形工艺228
6.2.33D打印颗粒增强复合材料的应用234
参考文献234

第7章无机非金属材料3D打印技术展望239
7.1无机非金属材料3D打印技术挑战与对策240
7.2无机非金属材料3D打印技术发展趋势243