不銹鋼3D打印–終極指南

魔猴君  知識堂   360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。它具有很強的耐腐蝕性和耐熱性，而且是一種重量輕、價格低廉的金屬，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、建筑和藝術(shù)應(yīng)用。為什么會這樣？因為它通常比傳統(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打印還能實現(xiàn)其他制造方法無法實現(xiàn)的復(fù)雜設(shè)計，從而推動產(chǎn)品創(chuàng)新。

在了解如何用不銹鋼進行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)，因為它的六軸機器人需要一個新的臂端工具來進行序列檢測。但該工具對于公司的需求來說是獨一無二的，而且是必須連接到其他兩個臂端工具件的組件的一部分。最初的原型是用碳增強塑料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），使用打印機制造商ExOne（現(xiàn)為Desktop Metal公司的一部分）提供的快速、經(jīng)濟的粘合劑噴射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)計了零件。為3D打印重新設(shè)計零件使該公司通過合并零件減輕了約40%的重量，并將材料浪費減少到5%以下。最終部件（如下圖）的打印耗時不到一天，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轉(zhuǎn)起來，需要一個新的水泵。原來的水泵是專為28號賽車設(shè)計的，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，因為預(yù)計的交貨時間為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。新水泵（如下圖）采用316-L不銹鋼材料，僅用三天時間就完成了3D打印，整個過程用時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，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）上運行，并打印設(shè)備的維修零件，包括過時的部件。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、最著名的運河之一。這種新穎的方法使該公司能夠用金屬3D打印出堅固、復(fù)雜和優(yōu)美的不銹鋼結(jié)構(gòu)。這座橋不僅美觀獨特，而且其結(jié)構(gòu)中的通道還安裝了傳感器，可以實時測量橋上的交通和負載情況。

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。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)計團隊現(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，每個部件的打印成本約為70美元。遠遠低于數(shù)控加工原型的成本，在需要對原型進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)品相同的材料進行3D打印原型，而不是使用數(shù)控機床。現(xiàn)在，他們使用Markforged碳纖維3D打印機打印初始原型，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打印機可以放在辦公桌上，而有些則可以擺滿整個房間。同樣，打印出的金屬零件也具有多種機械性能，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打印選項時，要考慮最終零件的密度（90%-99%）、孔隙率（這可能是一個缺點，也可能是一個優(yōu)點，具體取決于您的應(yīng)用）以及所需的機械性能（如抗拉強度）。

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)濟的方法是使用臺式3D打印機和不銹鋼長絲，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)濟實惠的桌面式FDM 3D打印機都可以使用這種長絲進行打印。

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。

使用不銹鋼絲進行桌面打印可生產(chǎn)出精細的零件，然后需要進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，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，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行二次加工，以獲得良好的機械性能。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打印成型機時，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。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間和成本僅為傳統(tǒng)鍛造、鑄造或機械加工的一小部分。

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完整的三維物體或?qū)ΜF(xiàn)有物體進行修復(fù)。無需移除支撐結(jié)構(gòu)，必要時可對成品部件進行數(shù)控加工，以達到嚴格的公差要求，或進行表面拋光。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)動機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)療和汽車等各個行業(yè)。

17-4 PH不銹鋼：這種沉淀硬化不銹鋼具有出色的強度、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)打印機制造商都會指定特定的金屬材料供應(yīng)商，以便在其機器中使用。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打印時產(chǎn)生更一致的效果。"成分控制確實是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