3D打印工藝是基于離散—堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動， 采用材料逐層累加的方法制造實體零件的快速成形技術(shù)。該成形方法是將產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計、制造、分析高度一體化，不僅能夠顯著縮短研發(fā)周期和研發(fā)成本，而且越是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料附加值高的產(chǎn)品，其快速高效成形的優(yōu)勢越顯著。3D打印工藝目前在模具制造、工業(yè)設(shè)計、汽車、航空航天和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、土木工程、軍事等領(lǐng)域都有所應(yīng)用，并將逐漸取代傳統(tǒng)工藝。

梁賀博士對3D打印科研工科作一直保持著旺盛的進取精神，不斷挖掘、擴展新研究工藝。他2012年博士畢業(yè)后曾經(jīng)在北京有色金屬研究總院從事多年科研工作，現(xiàn)擔(dān)任山東歌爾股份有限公司結(jié)構(gòu)部總監(jiān)級高級工程師，已經(jīng)發(fā)表文章20篇，有5篇被SCI和EI收錄，先后申請25項專利，已經(jīng)授權(quán)10項發(fā)明專利，4項實用新型專利。梁賀研究方向為的新型3D打印工藝，主要包括大型零件3D打印和小型零件3D微納打印。

目前大型金屬3D打印制造技術(shù)主要有：激光同軸送粉打印工藝、電子束熔化和電弧增材制造技術(shù)等。

激光同軸送粉3D打印技術(shù)是采用同步送粉方式，將金屬粉末輸送至加工點，同時高功率激光將金屬粉末熔化，按照預(yù)設(shè)軌跡逐層沉積，最終形成金屬零件?？蛇m用于不銹鋼、工具鋼、鈦合金、鋁合金、鎳基合金、炭化鎢硬質(zhì)合金、鎢鉻鈷合金、鈷鉻鉬合金、青銅合金、貴金屬合金等多種金屬材料，激光同軸送粉3D打印還能進行零件修復(fù)及表面合金化等多種加工工藝，如圖1所示。

圖1 同軸送粉激光3D打印

電子束選區(qū)熔化金屬3D打印采用電子束作為能量源，在高真空環(huán)境下通過逐層熔化金屬粉末的方式制造實體部件。由于電子束的功率高、材料對電子束能量吸收率高，該技術(shù)具有制件致密度高、氧含量少、不易變形開裂、粉末耗材價格低、打印效率高等特點，在金屬材料特別是難熔難加工金屬材料的3D打印方面具備獨特優(yōu)勢和應(yīng)用價值，在骨科醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如圖2所示。

圖2 電子束選區(qū)熔化金屬3D打印示意圖

電弧增材制造技術(shù)以電弧為載能束，采用逐層堆焊的方式制造金屬實體構(gòu)件，該技術(shù)主要基于TIG、MIG等焊接技術(shù)發(fā)展而來，成形零件由全焊縫構(gòu)成，化學(xué)成分均勻、致密度高，開放的成形環(huán)境對成形件尺寸無限制，成形速率可達幾kg/h，但電弧增材制造的零件表面波動較大，成形件表面質(zhì)量較低，一般需要表面二次機加工，相比激光同軸送粉、電子束增材制造，電弧增材制造技術(shù)的主要應(yīng)用目標是大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的低成本、高效快速近凈成形，如圖3所示。

圖3 電子束選區(qū)熔化金屬3D打印示意圖

但這三種工藝都存在共同的缺點：

（1）3D打印時零件應(yīng)力變形大，需要增加較多的額外余量尺寸，造成一定的材料和工時的浪費，增加了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率，后續(xù)需要進行去應(yīng)力退火，因此打印特大型零件受到了退火爐尺寸的限制；

（2）對導(dǎo)熱性能不同的材料，零件打印效果都有一定的缺陷，熱導(dǎo)率較低的TC4鈦合金打印后為網(wǎng)籃組織并伴有少量的魏氏過燒組織，銅合金和鋁合金等熱導(dǎo)率較高的材料打印時有較多的微裂紋缺陷，成形效果不理想；

（3）零件打印后經(jīng)常有融合不良問題，內(nèi)部存在微裂紋或氣孔，進行無損檢測后缺陷較多，無法滿足驗收要求；

（4）零件退火后晶粒粗大，直徑一般超過100微米，遠大于傳統(tǒng)工藝加工零件的晶粒，機械性能和抗疲勞性能較低。

針對這種情況，梁賀博士首次提出了“3D打印、感應(yīng)加熱和超聲高頻微鍛”三位一體的3D打印工藝，即在零件3D打印部分高度后，對整層打印平面進行感應(yīng)加熱和超聲高頻微鍛處理，主要用于消除應(yīng)力和細化晶粒組織。

根據(jù)打印零件的尺寸確定采用感應(yīng)器加熱的外形尺寸、 電源功率和頻率，感應(yīng)加熱裝置與3D打印傳動機構(gòu)一起固定，通過程序?qū)φw的打印平面進行感應(yīng)加熱掃描，感應(yīng)加熱的溫度根據(jù)具體材料確定，一般要求加熱到再結(jié)晶溫度以上。由于3D打印增材制造屬于近凈成形，不能采用傳統(tǒng)大變形量鍛造工藝，因此采用超聲高頻鍛打工藝對加熱后的工件部分進行超聲微鍛，達到去應(yīng)力和晶粒細化的目的。

該工藝的主要優(yōu)點是：

（1）及時去除3D打印時零件的應(yīng)力變形，無需增加過多的額外尺寸余量，避免了材料和工時的浪費，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，后續(xù)無需進行去應(yīng)力退火，因此可以打印特大型零件；

（2）該工藝適用于所有金屬材料的3D打印，可以根據(jù)不同材料的導(dǎo)熱性能和加工性質(zhì)設(shè)置3D打印、感應(yīng)加熱和超聲微鍛的工藝參數(shù)，可以完全消除TC4鈦合金的網(wǎng)籃組織和魏氏過燒組織，同時消除銅合金和鋁合金等熱導(dǎo)率較高的材料3D打印時產(chǎn)生的微裂紋缺陷；

（3）該工藝打印的零件不會發(fā)生融合不良問題、微裂紋或微氣孔，無損檢測后無缺陷；

（4）零件打印后的金相組織直接為細小等軸晶粒，直徑不超過20微米，基本達到傳統(tǒng)工藝加工零件的晶粒，機械性能和抗疲勞性能比傳統(tǒng)3D打印工藝明顯提高。

作為山東歌爾股份有限公司結(jié)構(gòu)部總監(jiān)級高級工程師，梁賀博士還積極探索用3D微納打印技術(shù)提升傳統(tǒng)電子行業(yè)，3D微納打印是通過使用微納米材料來噴印10微米到數(shù)毫米寬的精細電子線路，實現(xiàn)3D噴印，基本原理如圖4所示。

在霧化器里注入納米漿料，加入超聲和氣場霧化漿料成氣溶膠，霧化后的漿料（顆粒粒徑3-5微米）通過傳輸裝置過濾后到噴頭，噴嘴兩側(cè)加有氣場，噴出的漿料不會接觸噴頭，噴頭到基板的距離可調(diào)節(jié)在1-5毫米，直接在3D基板上噴印。

氣溶膠噴射3D打印的最大優(yōu)勢在于漿料使用范圍廣，包括導(dǎo)電漿料，電解質(zhì)，聚合物和粘合劑等，并且可以在低溫襯底上沉積這些材料從而實現(xiàn)一系列的應(yīng)用，而該工藝獨特的工作原理決定了氣流噴印可以打印出很細的線寬，微納3D打印過程如圖5所示。

1-5

mm

3

4

5

圖4 3D納米氣溶膠噴射基本原理

圖5 3D微納打印打印過程

微納3D打印具有以下優(yōu)點：

（1）打印液滴直徑小，微納3D打印產(chǎn)生的液滴能夠比針頭尺寸小一個數(shù)量級，可以實現(xiàn)亞微米級，納米級的打印分辨率，單層打印厚度可達100納米以下，最小打印線寬可達10微米；

（2）打印材料廣泛，絕緣或?qū)щ娦再|(zhì)的液體、有機及無機材料、各種溶液或懸濁液都可以用來打??；

（3）噴頭不易堵塞，微納3D打印是使用超聲和高壓氣場將氣溶膠流體從噴嘴噴出，能夠克服因為流體粘度太高而噴嘴堵塞的問題；

（4）精度高，由于噴嘴與接收基板之間的距離很小，能夠減小因為空氣擾動等導(dǎo)致的定位誤差，精度高，可控性好；

（5）無需制作模板可以實現(xiàn)即時設(shè)計，即時打印，同時可以在平面/曲面/立體結(jié)構(gòu)上打印，打印效率高，一臺設(shè)備打印的產(chǎn)品年產(chǎn)可達上百萬片；

（6）應(yīng)用范圍廣，非常適合于復(fù)雜和高精度圖案化，在柔性電子制造中具有廣泛的應(yīng)用前景，同時可在一些如發(fā)光二極管、生物打印技術(shù)、超材料等特殊領(lǐng)域可以開展應(yīng)用。

目前，梁賀博士主要通過研究微納打印的材料性能、氣溶膠形成工藝和微納打印工藝，開發(fā)手機天線及各類傳感器的大規(guī)模、微尺寸及柔性化制造之路，順應(yīng)消費類電子產(chǎn)品的發(fā)展潮流，爭取盡早實現(xiàn)由普通電子產(chǎn)品向可穿戴智能產(chǎn)品的跨越式發(fā)展。