不銹鋼3D打印–終極指南
魔猴君 知識堂 406天前
來自3D Microprint、Desktop Metal、Materialise和EOS的不銹鋼零件。
從餐具和手術(shù)工具到汽車零件和渦輪葉片，不銹鋼在我們身邊隨處可見，這是有道理的。它具有很強(qiáng)的耐腐蝕性和耐熱性，而且是一種重量輕、價(jià)格低廉的金屬，是3D打印的理想材料。
如今，3D打印不銹鋼已被用于多種工業(yè)部件以及設(shè)計(jì)、建筑和藝術(shù)應(yīng)用。為什么會這樣？因?yàn)樗ǔ１葌鹘y(tǒng)制造方法更快、更便宜、更高效。
如果您正在尋找不銹鋼備件、原型或工具，魔猴網(wǎng)可以為您提供3D打印服務(wù)。讓我們來看看3D打印不銹鋼的相關(guān)知識。
一、為什么選擇3D打印不銹鋼？
這種不銹鋼無摩擦齒輪機(jī)構(gòu)由瑞士CSEM為歐洲航天局開發(fā)，具有可彎曲葉片和互鎖晶格結(jié)構(gòu)，如果不使用3D打印就無法制造（來源：ESA）
制造商對不銹鋼進(jìn)行沖壓、切割、成型和焊接已有100多年的歷史。3D打印金屬的歷史雖然只有幾十年，但在速度和成本方面已經(jīng)可以與傳統(tǒng)方法相媲美。此外，3D打印還能實(shí)現(xiàn)其他制造方法無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜設(shè)計(jì)，從而推動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新。
在了解如何用不銹鋼進(jìn)行3D打印之前，讓我們先通過今天的公司來了解一下"為什么"要這樣做。
獨(dú)特的工具
阿勒格尼電氣公司的大批量生產(chǎn)工廠無法停止生產(chǎn)，因?yàn)樗牧S機(jī)器人需要一個(gè)新的臂端工具來進(jìn)行序列檢測。但該工具對于公司的需求來說是獨(dú)一無二的，而且是必須連接到其他兩個(gè)臂端工具件的組件的一部分。最初的原型是用碳增強(qiáng)塑料3D打印的，但這種材料不夠耐用。隨后，阿勒格尼電氣公司轉(zhuǎn)而采用不銹鋼（17-4PH），使用打印機(jī)制造商ExOne（現(xiàn)為Desktop Metal公司的一部分）提供的快速、經(jīng)濟(jì)的粘合劑噴射3D打印技術(shù)。但該公司并沒有使用3D打印技術(shù)打印完全相同的零件，而是利用3D打印技術(shù)提供的形狀自由度重新設(shè)計(jì)了零件。為3D打印重新設(shè)計(jì)零件使該公司通過合并零件減輕了約40%的重量，并將材料浪費(fèi)減少到5%以下。最終部件（如下圖）的打印耗時(shí)不到一天，成本約為150美元。
EOS為Allegheny Electric定制的3D打印不銹鋼臂端工具（來源：EOS）
獨(dú)一無二的備件
要讓一輛著名的1952年賽車--28號康明斯柴油特制賽車運(yùn)轉(zhuǎn)起來，需要一個(gè)新的水泵。原來的水泵是專為28號賽車設(shè)計(jì)的，這意味著沒有任何生產(chǎn)備用零件可以滿足要求。更復(fù)雜的是，28號賽車必須在幾周內(nèi)完成比賽，這就排除了采用傳統(tǒng)的砂型鑄造方法更換零件的可能性，因?yàn)轭A(yù)計(jì)的交貨時(shí)間為10周。
康明斯工程師轉(zhuǎn)而采用逆向工程和金屬3D打印技術(shù)，使用3D Systems公司的激光粉末床熔融3D打印機(jī)。新水泵（如下圖）采用316-L不銹鋼材料，僅用三天時(shí)間就完成了3D打印，整個(gè)過程用時(shí)5周，而不是10周。外殼與水泵的其他部件完美匹配，在賽車的六場比賽中發(fā)揮了煥然一新的性能。
原裝#28 Cummins Diesel Special賽車水泵（左）和3D Systems的不銹鋼3D打印補(bǔ)充件（來源：3D Systems）
美國海軍最近在"巴丹"號戰(zhàn)艦的工具間安裝了一臺Meltio 3D打印機(jī)，開始使用不銹鋼3D打印技術(shù)。Meltio使用激光熔化金屬絲并逐層沉積，然后通過內(nèi)置的數(shù)控銑床將零件加工到最終公差。該系統(tǒng)將在316L不銹鋼（一種常見的艦載材料，具有極佳的耐腐蝕性）上運(yùn)行，并打印設(shè)備的維修零件，包括過時(shí)的部件。這為無需返回碼頭即可維修系統(tǒng)提供了可能。
藝術(shù)與建造
荷蘭MX3D公司利用線弧增材制造（WAAM）3D打印技術(shù)，3D打印出一座功能齊全的不銹鋼橋，橫跨阿姆斯特丹市中心最古老、最著名的運(yùn)河之一。這種新穎的方法使該公司能夠用金屬3D打印出堅(jiān)固、復(fù)雜和優(yōu)美的不銹鋼結(jié)構(gòu)。這座橋不僅美觀獨(dú)特，而且其結(jié)構(gòu)中的通道還安裝了傳感器，可以實(shí)時(shí)測量橋上的交通和負(fù)載情況。
MX3D在阿姆斯特丹創(chuàng)建的不銹鋼3D打印橋梁（攝影：Thea van den Heuvel）
復(fù)雜工業(yè)部件原型
葉輪是泵的重要組成部分，它控制著泵的壓力，必須為每種特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)。葉輪需要幾何形狀復(fù)雜的葉片，這些葉片是專為通過泵的流體而設(shè)計(jì)的。這些定制葉片既昂貴又難以制造，需要使用昂貴的資本設(shè)備和熟練工人。
有了內(nèi)部打印316L不銹鋼部件的能力，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以使用最終部件所需的相同金屬材料，快速生產(chǎn)出功能原型進(jìn)行測試。下圖中使用桌面金屬工作室系統(tǒng)打印的不銹鋼葉輪，每個(gè)部件的打印成本約為70美元。遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)控加工原型的成本，在需要對原型進(jìn)行多次迭代的情況下，可以大大節(jié)省成本。
3D打印不銹鋼葉輪功能原型（來源：Desktop Metal）
醫(yī)療工具功能原型
Shukla Medical使用Markforged的17-4 PH不銹鋼，用與許多最終產(chǎn)品相同的材料進(jìn)行3D打印原型，而不是使用數(shù)控機(jī)床。現(xiàn)在，他們使用Markforged碳纖維3D打印機(jī)打印初始原型，然后使用Markforged Metal X系統(tǒng)打印最終原型，交到外科醫(yī)生手中進(jìn)行評估。"公司的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)理Zack Sweitzer說："外科醫(yī)生可以設(shè)想在實(shí)際切口中使用它，并告訴我們它在他們手中的感覺是否合適。"能夠更高效地制作原型并更快地將成品推向市場，將使我們始終走在行業(yè)前沿。
Shukla Medical 3D打印了這些不銹鋼直升機(jī)插座原型（骨科醫(yī)生使用）
使醫(yī)生能夠測試和評估該工具（來源：Markforged）
二、如何3D打印不銹鋼
在不銹鋼3D打印技術(shù)中，微型3D打印可生產(chǎn)精細(xì)的零件（來源：3D Microprint）
3D打印不銹鋼的方法不止一種，每種方法在價(jià)格、速度、質(zhì)量和體積方面都各有利弊。
有些不銹鋼3D打印機(jī)可以放在辦公桌上，而有些則可以擺滿整個(gè)房間。同樣，打印出的金屬零件也具有多種機(jī)械性能，因此您需要對不同的方法有所了解，才能找到適合您項(xiàng)目的方法。
例如，如果工廠生產(chǎn)需要更換噴嘴，臺式FDM打印機(jī)可能是最快捷、最便宜的選擇。但是，如果你的不銹鋼零件需要承受一定的壓力和作用力，你就需要采用激光粉末床熔融技術(shù)或金屬粘合劑噴射技術(shù)。如果您需要非常大的不銹鋼部件，如船舶螺旋槳，您可以考慮線弧快速成型技術(shù)（WAAM）。
在評估不銹鋼3D打印選項(xiàng)時(shí)，要考慮最終零件的密度（90%-99%）、孔隙率（這可能是一個(gè)缺點(diǎn)，也可能是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，具體取決于您的應(yīng)用）以及所需的機(jī)械性能（如抗拉強(qiáng)度）。
對于不銹鋼3D打印，您可以選擇這些3D打印技術(shù)：
熔融沉積建模（FDM）
粘合劑噴射
激光粉末床熔融（LPBF），也稱為選擇性激光熔融（SLM）
冷噴
線弧增材制造（WAAM）
微型3D打印
使用Ultrafuse金屬絲在UltiMaker S5上3D打印不銹鋼金屬部件（來源：UltiMaker）
金屬絲桌面打印
最經(jīng)濟(jì)的方法是使用臺式3D打印機(jī)和不銹鋼長絲，不銹鋼長絲是一種注入了高比例不銹鋼粉末的聚合物材料。BASF Forward AM等公司提供的各種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的桌面式FDM 3D打印機(jī)都可以使用這種長絲進(jìn)行打印。
這些零件通常是小型替換零件或原型，在3D打印出來后，需要去除聚合物粘合劑。然后還要進(jìn)行燒結(jié)，以生產(chǎn)出密度更大的部件。
另一種金屬擠壓3D打印被稱為約束金屬沉積（BMD）。采用BMD技術(shù)的3D打印機(jī)包括Markforged公司的Metal X和Desktop Metal公司的Studio System。它們稱自己的材料為"結(jié)合金屬棒"，而不是長絲。這些金屬棒的具體成分是專有的，但它們和金屬絲一樣，都含有蠟或聚合物粘合劑中的金屬粉末。
使用不銹鋼絲進(jìn)行桌面打印可生產(chǎn)出精細(xì)的零件，然后需要進(jìn)行處理才能變成固體（來源：BCN3D）
粘合劑噴射
3D打印不銹鋼部件的最快方法是在不銹鋼粉末層中加入粘合劑，這種技術(shù)被稱為粘合劑噴射。不銹鋼粉末沉積在構(gòu)建盒的底部，打印頭在構(gòu)建盒上移動(dòng)，選擇性地噴射粘合劑溶液。三維模型逐層構(gòu)建，直至完成，然后在烤箱中烘干，以強(qiáng)化粘合劑?？傮w而言，金屬粘合劑噴射部件的材料特性與金屬注射成型生產(chǎn)的金屬部件相當(dāng)，而金屬注射成型是大規(guī)模生產(chǎn)金屬部件最廣泛使用的制造方法之一。此外，粘合劑噴射零件的表面光滑度很高，尤其是內(nèi)部通道。
不銹鋼金屬粘合劑噴射部件需要在印刷后進(jìn)行二次加工，以獲得良好的機(jī)械性能。由于噴射速度快，粘合劑噴射通常被用于大批量消費(fèi)品，例如下圖中的眼鏡蛇高爾夫球桿。
Cobra King Supersport-35是一款不銹鋼3D打印高爾夫推桿，采用HP粘合劑噴射技術(shù)（稱為Metal Jet）制造（來源：HP）
選擇性激光熔融
金屬3D打印應(yīng)用最廣泛的方法是激光粉末床熔融（LPBF），也稱為選擇性激光熔融（SLM）或簡單的金屬燒結(jié)。LPBF3D打印機(jī)使用高功率激光選擇性地熔化金屬粉末。熔化的部件以分子為基礎(chǔ)逐層融合在一起，直到完成均質(zhì)模型。打印床上的包裝粉末在打印過程中為模型提供支撐，因此很少需要支撐物。
根據(jù)您的應(yīng)用，在考慮LPBF3D打印成型機(jī)時(shí)，您需要考慮激光功率水平、激光束直徑、掃描速度、可能的層厚（從20微米到120微米）、掃描策略、部件冷卻策略，以及不同品牌和品牌內(nèi)不同型號的其他特點(diǎn)。最終熔化部件的表面光潔度比較粗糙，根據(jù)您的要求，可能需要進(jìn)行后處理，以獲得光滑閃亮的效果。
3D Systems采用不銹鋼3D打印而成，具有封裝內(nèi)部保形通道，可提高傳熱系數(shù)的板片換熱器（來源：3D Systems）
電弧快速成型制造
對于大型部件，如建筑構(gòu)件或海洋或油氣工業(yè)部件，WAAM是首選方法。這種方法生產(chǎn)大型金屬零件所需的時(shí)間和成本僅為傳統(tǒng)鍛造、鑄造或機(jī)械加工的一小部分。
線弧快速成型技術(shù)使用金屬絲作為材料，電弧作為能源，與焊接非常相似。電弧將金屬絲熔化，并通過機(jī)械臂一層一層地沉積到表面（如多軸轉(zhuǎn)臺）上。與焊接一樣，惰性氣體用于防止氧化，改善或控制金屬的性能。
該工藝逐漸將材料制作成一個(gè)完整的三維物體或?qū)ΜF(xiàn)有物體進(jìn)行修復(fù)。無需移除支撐結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可對成品部件進(jìn)行數(shù)控加工，以達(dá)到嚴(yán)格的公差要求，或進(jìn)行表面拋光。通常，打印零件會接受熱處理以消除殘余應(yīng)力。
用作船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器的不銹鋼葉輪是采用Gefertec的WAAM技術(shù)生產(chǎn)的（來源：Gefertec）
三、哪些類型的不銹鋼可3D打印
采用山特維克超級雙相不銹鋼3D打印的海上葉輪（來源：Source:Sandvik）
不銹鋼有很多種，每種類型中又有幾乎無限的變化。3D打印中最常用的不銹鋼類型是：
316L不銹鋼：因其耐腐蝕性和機(jī)械性能而成為3D打印中最受歡迎的選擇。它廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療和汽車等各個(gè)行業(yè)。
17-4 PH不銹鋼：這種沉淀硬化不銹鋼具有出色的強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性，適用于功能部件和工業(yè)應(yīng)用。
420不銹鋼：這種不銹鋼通常用于要求高硬度和耐磨性的應(yīng)用，如工具和模具。
2205雙相不銹鋼：雙相不銹鋼具有良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，適用于某些具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。
并非任何不銹鋼都能與3D打印兼容，大多數(shù)打印機(jī)制造商都會指定特定的金屬材料供應(yīng)商，以便在其機(jī)器中使用。最近的研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整17-4 PH不銹鋼的配方可使其在3D打印時(shí)產(chǎn)生更一致的效果。"成分控制確實(shí)是3D打印合金的關(guān)鍵。通過控制成分，我們能夠控制其凝固方式。研究人員張帆說："我們的研究還表明，在很寬的冷卻速率范圍內(nèi)，例如在每秒1000到1000萬攝氏度之間，我們的成分能夠始終如一地生成完全馬氏體的17-4 PH鋼。
編譯整理：ALL3DP
