導讀:3D打印技術正日益強大,材料不僅限于塑料和樹脂,還擴展到金屬領域,其中也包括鋼材。通過3D打印鋼材,可以制造更加復雜的結構,同時也能夠生產更高強度的零件和構件。
目前,3D打印鋼的應用領域非常廣泛,例如,航空航天、汽車制造、復雜模具、醫(yī)療、能源動力、軌道交通等。無論需要替換零件、模具工具、固定裝置還是任何傳統(tǒng)上由鋼制成的東西,3D打印都可以提供更快、更便宜、更高效的方法。
3D打印鋼材的優(yōu)勢
3D打印鋼部件的強度可以與傳統(tǒng)制造方法制造的鋼部件一樣強,甚至更強。在某些條件下,用激光粉末床熔融(LPBF)3D打印機制造的不銹鋼零件的強度是用傳統(tǒng)技術制造的不銹鋼零件的三倍。最近的另一項研究表明,不銹鋼3D打印零件在沉淀硬化熱處理后表現出的屈服強度(1157 MPa)與鍛造零件相當。
圖片來源:Desktop Metal
3D打印鋼的主要優(yōu)勢不僅在于其強度,還在于其獨特的能力,可以創(chuàng)建具有內部通道(例如模具中的隨形冷卻通道)和晶格填充的零件,而這是傳統(tǒng)方法無法制造的。
圖片來源:MX3D
金屬3D打印可以比傳統(tǒng)制造更快地生產零件,制造商還可以重新設計零件,將多個組件整合為一個可3D打印的零件,從而消除組裝或焊接獲得更好的零件性能,這通常意味著制造時所需的鋼材更少,重量也更輕。
3D打印鋼材也是一種更具可持續(xù)性和成本效益的做法,因為它可以減少浪費。相比于數控加工等減材制造的方法,通過增材制造,只需使用最終零件所需的材料。
雖然3D打印鋼材有很多的優(yōu)勢,但這并不代表這項極具潛力的技術要在所有應用中取代傳統(tǒng)方法,但它可能在某些時候是更好的選擇。
3D打印鋼材的分類及特征
傳統(tǒng)制造中使用了數千種具有不同機械性能的鋼和鋼合金,但在3D打印中可能有幾十種,主要的鋼材包括:
- 不銹鋼(316L、304L、17-4 PH、15-5PH、420、254、PH1、GP1、630、410)
- 工具鋼(D2、M2、H13、H11、MS1、1.2709)
- 低合金鋼(4140)
- 表面硬化鋼(20MnCr5)
其中,最常用的是316L不銹鋼、304奧氏體不銹鋼、17-4PH和15-5PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼、18Ni300 (1.2709)馬氏體時效鋼和H13工具鋼。
圖片來源:GKN Additive 接下來我們將重點介紹工具鋼、馬氏體鋼和不銹鋼。
1、工具鋼和馬氏體鋼
工具鋼之所以廣泛應用,源于其出色的硬度、耐磨性、抗形變能力以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中之一,它能夠承受不確定時間的工藝條件。
馬氏體鋼,以馬氏體300為例,又被稱為“馬氏體時效”鋼,在時效過程中具有高強度、韌性和尺寸穩(wěn)定性,這些特點眾所周知。與其他鋼材不同的是,它們不含碳,屬于金屬間化合物,通過富含鎳、鈷和鉬的冶金反應來硬化。
2、不銹鋼
不銹鋼是目前金屬3D打印應用最廣泛的材料,常見的有奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼。不銹鋼具有優(yōu)異的防銹、耐磨、耐腐蝕等特性,且其強度超越許多鋼材,可適用于99%的工業(yè)應用;同時,在相同重量下,不銹鋼材料通常價格最低,這是其最大的優(yōu)勢之一。
目前,用于金屬3D打印的不銹鋼主要包括三種:奧氏體不銹鋼316L、馬氏體不銹鋼15-5PH、馬氏體不銹鋼17-4PH。
3D打印鋼材的制作工藝
3D打印鋼材的強度、性能和應用在很大程度上取決于使用的3D打印技術。某些方法可以生產出更堅固的3D打印鋼部件,其他方法可以生產出更好的硬度或耐磨性,而有些技術則速度非???。
下面我們將介紹主要的金屬3D打印方法、它們的特性以及一些常見應用的案例。
1、選擇性激光熔化(SLM)
選擇性激光熔化(SLM),又稱粉末床激光熔融(LPBF),是最常見的金屬3D打印技術,約占金屬3D打印機市場的80%。
圖片來源:GE Additive
該技術選用激光作為能量源,按照切片模型中規(guī)劃好的路徑在金屬粉末床層進行逐層掃描,掃描過的金屬粉末通過熔化、凝固,最終獲得模型所設計的金屬零件。SLM 3D打印技術能直接成型出近乎全致密且力學性能良好的金屬零件,其中鋼和鋼合金是SLM機器最受歡迎的材料,在商業(yè)上也擁有廣泛應用。
圖片來源:毅速科技
以模具應用為例,SLM3D打印技術在模具行業(yè)的應用重新定義了冷卻水路。通過幾乎無所不能的水路設計,成功地解決了塑料制品生產中因冷卻不均勻而導致的變形、縮水和澆口區(qū)域高溫等問題。在這一特定領域,毅速已經通過他們自主研發(fā)的設備和材料積累了大量成功的應用案例。
2、粘接劑噴射(Binder Jetting)
粘接劑噴射是另一種基于粉末床的3D打印技術。不同之處在于,它不是通過激光熔融的方式,而是使用噴墨打印頭將粘合劑噴灑到粉末上,以便在所選擇的區(qū)域內將粉末粘結在一起,逐層疊加以制造出所需的物體。
圖片來源:GE Additive
粘接劑噴射也被認為是金屬3D打印技術中最有望實現大規(guī)模生產的方法,此外,金屬粘接劑噴射零件的材料特性與傳統(tǒng)金屬注射成型生產的零件相似。一些知名的制造商包括HP、GE Additive、Markforged、Desktop Metal以及武漢易制、共享裝備等。
圖片來源:武漢易制
報道稱,蘋果正在采用這項技術來制造其Apple Watch Series 9智能手表的鋼制底盤原型,隨后進行去脂和燒結工藝以增加其致密性,最終通過精密加工獲得最終成品。
3、熔融沉積成型 (FDM)
通過FDM 3D打印結合注入不銹鋼粉末的線材,可以比其他任何方法更經濟地制造固體金屬部件。目前市場上生產不銹鋼(316L,17-4 PH)金屬線材的材料供應商包括巴斯夫Forward AM等公司。
圖片來源:Raise 3D
這些線材通常由大約80%的金屬和20%的塑料混合物組成。在打印完成后,需要進行后處理工作,去除塑料,從而獲得類似于金屬注射成型的金屬部件,但這可能會導致部件體積損失高達三分之一,因此在開始打印之前需要考慮這一因素。
目前,包括Raise3D復志科技、UltiMaker、BCN3D等在內的FDM 打印機制造商都有開發(fā)相關設備。另一項技術使用的是具有更高濃度的金屬線材,能夠完成該材料打印的目前只有Markforged和Desktop Metal。
線材并不是FDM 打印的唯一材料選擇,升華三維等少數公司提供使用金屬顆粒進行擠出的FDM 3D打印機。上圖展示的正是通過升華三維的3D打印機,結合不銹鋼顆粒和金屬聚合物復合材料,首先打印出原型模型,然后通過脫脂和燒結工藝,制造出最終致密的不銹鋼金屬部件。
4、結合金屬沉積 (BMD)
結合金屬沉積(BMD)技術由Desktop Metal開發(fā),類似于FDM,它使用金屬絲材料,通過電感等方式將絲材熔化,然后在靜電力或磁場等作用下控制噴嘴上液滴的表面張力,將金屬液滴在成形平臺上沉積,這一技術更接近于傳統(tǒng)的金屬注射成型(MIM)技術。此外,還需要后處理去除粘合劑以及在爐中進行熱處理以進行最終燒結。
圖片來源:Desktop Metal 目前,市場上使用這種方法的3D打印機并不多,主要包括Desktop Metal和Markforged 3D打印機。目前共有四種不同類型的鋼材可選,這項技術主要用于制造鋼制原型零件,典型的應用包括成型工具、沖壓模具、噴嘴、葉輪、固定裝置和熱交換器等領域。
圖片來源:Markforged
以醫(yī)療應用為例,Shukla Medical公司采用Markforged Metal X金屬3D打印機與17-4 PH不銹鋼材料相結合,制造外科手術原型工具。這不僅縮短了制造時間,還允許更加復雜的形狀設計。
5、粉末床電子束熔融(EBM)
電子束熔融(EBM)是另一種粉末床熔化技術。其工作原理類似于選擇性激光熔化(SLM),不同之處在于它使用更高溫的電子束而不是激光作為能源。再涂層器將一層粉末涂布在構建平臺上,然后電子束有選擇性地熔化粉末的每個橫截面,每完成一層后,打印平臺板就會下降,逐層疊加形成物體。
圖片來源:GE Additive
EBM速度比SLM快得多,但制造出的零件表面光滑度和精度不如SLM。此外,EBM工藝是在真空室中進行的,從而減少了可能導致缺陷的材料雜質。這項技術最早由瑞典的Arcam公司開發(fā),后來該公司被GE Additive收購。在國內,代表性的企業(yè)包括西安賽隆增材和天津清研智束。
圖片來源:西安賽隆
目前,EBM電子束熔融技術在臨床骨科領域有廣泛應用,包括椎間融合器、人工椎體、髖臼杯、植入物等,但主要以鈦合金為主要應用材料。
6、冷噴涂
冷噴涂增材制造技術是一種基于高速粒子固態(tài)沉積的涂層制備方法。在這個過程中,噴涂粒子在固態(tài)狀態(tài)下與基體發(fā)生碰撞,經歷劇烈的塑性變形,最終沉積形成涂層。這種技術在制備塊材和零部件時不會對基體產生熱影響,因此可以作為近乎凈成形技術,直接噴涂制備所需的材料和零件。
圖片來源:Impact Innovations 冷噴涂印刷材料不容易出現孔隙、熱裂紋或其他常見于熔融技術的問題。相對于其他制造方法,冷噴涂無需進行后處理,而且通常具有較小的碳足跡。目前,該技術被廣泛用于世界各地的軍事和航空航天修復應用中。
以航空航天應用來看,超卓航科是國內為數不多的掌握冷噴涂增材制造技術并將其產業(yè)化應用于航空器維修和再制造領域的企業(yè)之一。他們將這項技術用于航空機載設備的維修業(yè)務,包括軍用和民用航空器的氣動附件、液壓附件、燃油附件以及電氣附件的修復。
7、直接能量沉積(DED)和電弧熔絲增材制造 (WAAM)
直接能量沉積(DED)采用噴嘴將吹制粉末或焊絲送入,同時引入電源來熔化金屬,形成熔池,然后將其應用到構建基底上。DED通常適用于制造大型物體,也適用于需要大量加工的復雜幾何形狀。
圖片來源:MX3D 由于DED采用熔覆工藝,因此可用于向現有的鋼部件添加復雜的幾何形狀,從而將復雜性與成本的降低相結合。與DED相關的另一項技術是電弧增材制造(WAAM)。WAAM不使用粉末,而是使用金屬絲,通過電弧將其熔化,這個過程由機械臂來控制。
以無人車應用為例,通常需要高度定制化的設計,特別是對于那些需要拓撲結構以減輕重量并增強底盤強度的情況。然而,拓撲結構的形狀往往非常復雜,傳統(tǒng)的鑄造方法難以實現。英尼格瑪采用自研的電弧增材制造技術,使得制造高度定制化的無人車成為可能。
8、微型金屬3D打印
微型增材制造或微型3D打印能夠以幾微米(甚至更小)的分辨率來打印零件。有三種微型金屬3D打印方法用于制造金屬零件。
圖片來源:3D MicroPrint 電化學沉積是由瑞士Exaddon公司開發(fā)的一種先進的微型金屬3D打印工藝。在這個過程中,打印噴嘴將注入金屬離子的液體輸送,以在原子水平上構建零件。
另一種微型金屬3D打印方法是微型選擇性激光燒結(μSLS),其中將一層金屬納米顆粒墨水涂覆到基材上,然后通過數字微鏡陣列圖案化的激光將納米顆粒加熱并燒結成所需的圖案。然后重復這一組步驟以構建3D零件的每一層。
第三種微型金屬3D打印方法是金屬立體光刻技術,也稱為基于光刻技術的金屬制造(LMM)。它利用光聚合原理,將金屬粉末均勻分散在稱為漿料的光敏樹脂中,然后通過選擇性曝光逐層聚合。金屬立體光刻技術具有出色的表面質量,主要用于微型3D打印。
最后,3D打印鋼材允許制造商以更靈活、高效和可持續(xù)的方式生產零部件和產品。隨著技術的不斷發(fā)展,預計將會有更多新的應用領域涌現。
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