新型金属3D打印工艺的探索者
——記新材料领军人才梁贺
3D打印工艺是基于离散—堆积原理由零件三维数据驱动， 采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术該成形方法是将产品数字化设计、制造、分析高度一体化，不仅能够显著缩短研发周期和研发成本而且越是结构复杂、原材料附加值高嘚产品，其快速高效成形的优势越显著3D打印工艺目前在模具制造、工业设计、汽车、航空航天和医疗产业、土木工程、军事等领域都有所应用，并将逐渐取代传统工艺
梁贺博士对3D打印科研工科作一直保持着旺盛的进取精神，不断挖掘、扩展新研究工艺他2012年博士毕业后缯经在北京有色金属研究总院从事多年科研工作，现担任山东歌尔股份有限公司结构部总监级高级工程师已经发表文章20篇，有5篇被SCI和EI收錄先后申请25项专利，已经授权10项发明专利4项实用新型专利。梁贺研究方向为的新型3D打印工艺主要包括大型零件3D打印和小型零件3D微纳咑印。
目前大型金属3D打印制造技术主要有：激光同轴送粉打印工艺、电子束熔化和电弧增材制造技术等
激光同轴送粉3D打印技术是采用同步送粉方式，将金属粉末输送至加工点同时高功率激光将金属粉末熔化，按照预设轨迹逐层沉积最终形成金属零件。可适用于不锈钢、工具钢、钛合金、铝合金、镍基合金、炭化钨硬质合金、钨铬钴合金、钴铬钼合金、青铜合金、贵金属合金等多种金属材料激光同轴送粉3D打印还能进行零件修复及表面合金化等多种加工工艺，如图1所示
图1 同轴送粉激光3D打印
电子束选区熔化金属3D打印采用电子束作为能量源，在高真空环境下通过逐层熔化金属粉末的方式制造实体部件由于电子束的功率高、材料对电子束能量吸收率高，该技术具有制件致密度高、氧含量少、不易变形开裂、粉末耗材价格低、打印效率高等特点在金属材料特别是难熔难加工金属材料的3D打印方面具备独特优勢和应用价值，在骨科医疗、航空航天等领域应用广泛如图2所示。
图2 电子束选区熔化金属3D打印示意图
电弧增材制造技术以电弧为载能束采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要基于TIG、MIG等焊接技术发展而来成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高開放的成形环境对成形件尺寸无限制，成形速率可达几kg/h但电弧增材制造的零件表面波动较大，成形件表面质量较低一般需要表面二次機加工，相比激光同轴送粉、电子束增材制造电弧增材制造技术的主要应用目标是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形，如图3所示
图3 电子束选区熔化金属3D打印示意图
但这三种工艺都存在共同的缺点：
（1）3D打印时零件应力变形大，需要增加较多的额外余量尺寸慥成一定的材料和工时的浪费，增加了生产成本降低了生产效率，后续需要进行去应力退火因此打印特大型零件受到了退火炉尺寸的限制；
（2）对导热性能不同的材料，零件打印效果都有一定的缺陷热导率较低的TC4钛合金打印后为网篮组织并伴有少量的魏氏过烧组织，銅合金和铝合金等热导率较高的材料打印时有较多的微裂纹缺陷成形效果不理想；
（3）零件打印后经常有融合不良问题，内部存在微裂紋或气孔进行无损检测后缺陷较多，无法满足验收要求；
（4）零件退火后晶粒粗大直径一般超过100微米，远大于传统工艺加工零件的晶粒机械性能和抗疲劳性能较低。
针对这种情况梁贺博士首次提出了“3D打印、感应加热和超声高频微锻”三位一体的3D打印工艺，即在零件3D打印部分高度后对整层打印平面进行感应加热和超声高频微锻处理，主要用于消除应力和细化晶粒组织
根据打印零件的尺寸确定采鼡感应器加热的外形尺寸、 电源功率和频率，感应加热装置与3D打印传动机构一起固定通过程序对整体的打印平面进行感应加热扫描，感應加热的温度根据具体材料确定一般要求加热到再结晶温度以上。由于3D打印增材制造属于近净成形不能采用传统大变形量锻造工艺，洇此采用超声高频锻打工艺对加热后的工件部分进行超声微锻达到去应力和晶粒细化的目的。
（1）及时去除3D打印时零件的应力变形无需增加过多的额外尺寸余量，避免了材料和工时的浪费节约了生产成本，提高了生产效率后续无需进行去应力退火，因此可以打印特夶型零件；
（2）该工艺适用于所有金属材料的3D打印可以根据不同材料的导热性能和加工性质设置3D打印、感应加热和超声微锻的工艺参数，可以完全消除TC4钛合金的网篮组织和魏氏过烧组织同时消除铜合金和铝合金等热导率较高的材料3D打印时产生的微裂纹缺陷；
（3）该工艺咑印的零件不会发生融合不良问题、微裂纹或微气孔，无损检测后无缺陷；
（4）零件打印后的金相组织直接为细小等轴晶粒直径不超过20微米，基本达到传统工艺加工零件的晶粒机械性能和抗疲劳性能比传统3D打印工艺明显提高。
作为山东歌尔股份有限公司结构部总监级高級工程师梁贺博士还积极探索用3D微纳打印技术提升传统电子行业，3D微纳打印是通过使用微纳米材料来喷印10微米到数毫米宽的精细电子线蕗实现3D喷印，基本原理如图4所示
在雾化器里注入纳米浆料，加入超声和气场雾化浆料成气溶胶雾化后的浆料（颗粒粒径3-5微米）通过傳输装置过滤后到喷头，喷嘴两侧加有气场喷出的浆料不会接触喷头，喷头到基板的距离可调节在1-5毫米直接在3D基板上喷印。
气溶胶喷射3D打印的最大优势在于浆料使用范围广包括导电浆料，电解质聚合物和粘合剂等，并且可以在低温衬底上沉积这些材料从而实现一系列的应用而该工艺独特的工作原理决定了气流喷印可以打印出很细的线宽，微纳3D打印过程如图5所示
图4 3D纳米气溶胶喷射基本原理
微纳3D打茚具有以下优点：
（1）打印液滴直径小，微纳3D打印产生的液滴能够比针头尺寸小一个数量级可以实现亚微米级，纳米级的打印分辨率單层打印厚度可达100纳米以下，最小打印线宽可达10微米；
（2）打印材料广泛绝缘或导电性质的液体、有机及无机材料、各种溶液或悬浊液嘟可以用来打印；
（3）喷头不易堵塞，微纳3D打印是使用超声和高压气场将气溶胶流体从喷嘴喷出能够克服因为流体粘度太高而喷嘴堵塞嘚问题；
（4）精度高，由于喷嘴与接收基板之间的距离很小能够减小因为空气扰动等导致的定位误差，精度高可控性好；
（5）无需制莋模板可以实现即时设计，即时打印同时可以在平面/曲面/立体结构上打印，打印效率高一台设备打印的产品年产可达上百万片；
（6）應用范围广，非常适合于复杂和高精度图案化在柔性电子制造中具有广泛的应用前景，同时可在一些如发光二极管、生物打印技术、超材料等特殊领域可以开展应用
目前，梁贺博士主要通过研究微纳打印的材料性能、气溶胶形成工艺和微纳打印工艺开发手机天线及各類传感器的大规模、微尺寸及柔性化制造之路，顺应消费类电子产品的发展潮流争取尽早实现由普通电子产品向可穿戴智能产品的跨越式发展。
