不锈钢3D打印–终极指南

魔猴君  知识堂   415天前

来自3D Microprint、Desktop Metal、Materialise和EOS的不锈钢零件。

从餐具和手术工具到汽车零件和涡轮叶片，不锈钢在我们身边随处可见，这是有道理的。它具有很强的耐腐蚀性和耐热性，而且是一种重量轻、价格低廉的金属，是3D打印的理想材料。

如今，3D打印不锈钢已被用于多种工业部件以及设计、建筑和艺术应用。为什么会这样？因为它通常比传统制造方法更快、更便宜、更高效。

如果您正在寻找不锈钢备件、原型或工具，魔猴网可以为您提供3D打印服务。让我们来看看3D打印不锈钢的相关知识。

一、为什么选择3D打印不锈钢？

这种不锈钢无摩擦齿轮机构由瑞士CSEM为欧洲航天局开发，具有可弯曲叶片和互锁晶格结构，如果不使用3D打印就无法制造（来源：ESA）

制造商对不锈钢进行冲压、切割、成型和焊接已有100多年的历史。3D打印金属的历史虽然只有几十年，但在速度和成本方面已经可以与传统方法相媲美。此外，3D打印还能实现其他制造方法无法实现的复杂设计，从而推动产品创新。

在了解如何用不锈钢进行3D打印之前，让我们先通过今天的公司来了解一下"为什么"要这样做。

独特的工具

阿勒格尼电气公司的大批量生产工厂无法停止生产，因为它的六轴机器人需要一个新的臂端工具来进行序列检测。但该工具对于公司的需求来说是独一无二的，而且是必须连接到其他两个臂端工具件的组件的一部分。最初的原型是用碳增强塑料3D打印的，但这种材料不够耐用。随后，阿勒格尼电气公司转而采用不锈钢（17-4PH），使用打印机制造商ExOne（现为Desktop Metal公司的一部分）提供的快速、经济的粘合剂喷射3D打印技术。但该公司并没有使用3D打印技术打印完全相同的零件，而是利用3D打印技术提供的形状自由度重新设计了零件。为3D打印重新设计零件使该公司通过合并零件减轻了约40%的重量，并将材料浪费减少到5%以下。最终部件（如下图）的打印耗时不到一天，成本约为150美元。

EOS为Allegheny Electric定制的3D打印不锈钢臂端工具（来源：EOS）

独一无二的备件

要让一辆著名的1952年赛车--28号康明斯柴油特制赛车运转起来，需要一个新的水泵。原来的水泵是专为28号赛车设计的，这意味着没有任何生产备用零件可以满足要求。更复杂的是，28号赛车必须在几周内完成比赛，这就排除了采用传统的砂型铸造方法更换零件的可能性，因为预计的交货时间为10周。

康明斯工程师转而采用逆向工程和金属3D打印技术，使用3D Systems公司的激光粉末床熔融3D打印机。新水泵（如下图）采用316-L不锈钢材料，仅用三天时间就完成了3D打印，整个过程用时5周，而不是10周。外壳与水泵的其他部件完美匹配，在赛车的六场比赛中发挥了焕然一新的性能。

原装#28 Cummins Diesel Special赛车水泵（左）和3D Systems的不锈钢3D打印补充件（来源：3D Systems）

美国海军最近在"巴丹"号战舰的工具间安装了一台Meltio 3D打印机，开始使用不锈钢3D打印技术。Meltio使用激光熔化金属丝并逐层沉积，然后通过内置的数控铣床将零件加工到最终公差。该系统将在316L不锈钢（一种常见的舰载材料，具有极佳的耐腐蚀性）上运行，并打印设备的维修零件，包括过时的部件。这为无需返回码头即可维修系统提供了可能。

艺术与建造

荷兰MX3D公司利用线弧增材制造（WAAM）3D打印技术，3D打印出一座功能齐全的不锈钢桥，横跨阿姆斯特丹市中心最古老、最著名的运河之一。这种新颖的方法使该公司能够用金属3D打印出坚固、复杂和优美的不锈钢结构。这座桥不仅美观独特，而且其结构中的通道还安装了传感器，可以实时测量桥上的交通和负载情况。

MX3D在阿姆斯特丹创建的不锈钢3D打印桥梁（摄影：Thea van den Heuvel） 

复杂工业部件原型

叶轮是泵的重要组成部分，它控制着泵的压力，必须为每种特定应用而设计。叶轮需要几何形状复杂的叶片，这些叶片是专为通过泵的流体而设计的。这些定制叶片既昂贵又难以制造，需要使用昂贵的资本设备和熟练工人。

有了内部打印316L不锈钢部件的能力，设计团队现在可以使用最终部件所需的相同金属材料，快速生产出功能原型进行测试。下图中使用桌面金属工作室系统打印的不锈钢叶轮，每个部件的打印成本约为70美元。远远低于数控加工原型的成本，在需要对原型进行多次迭代的情况下，可以大大节省成本。

3D打印不锈钢叶轮功能原型（来源：Desktop Metal）

医疗工具功能原型

Shukla Medical使用Markforged的17-4 PH不锈钢，用与许多最终产品相同的材料进行3D打印原型，而不是使用数控机床。现在，他们使用Markforged碳纤维3D打印机打印初始原型，然后使用Markforged Metal X系统打印最终原型，交到外科医生手中进行评估。"公司的产品开发经理Zack Sweitzer说："外科医生可以设想在实际切口中使用它，并告诉我们它在他们手中的感觉是否合适。"能够更高效地制作原型并更快地将成品推向市场，将使我们始终走在行业前沿。

Shukla Medical 3D打印了这些不锈钢直升机插座原型（骨科医生使用）

使医生能够测试和评估该工具（来源：Markforged）

二、如何3D打印不锈钢

在不锈钢3D打印技术中，微型3D打印可生产精细的零件（来源：3D Microprint）

3D打印不锈钢的方法不止一种，每种方法在价格、速度、质量和体积方面都各有利弊。

有些不锈钢3D打印机可以放在办公桌上，而有些则可以摆满整个房间。同样，打印出的金属零件也具有多种机械性能，因此您需要对不同的方法有所了解，才能找到适合您项目的方法。

例如，如果工厂生产需要更换喷嘴，台式FDM打印机可能是最快捷、最便宜的选择。但是，如果你的不锈钢零件需要承受一定的压力和作用力，你就需要采用激光粉末床熔融技术或金属粘合剂喷射技术。如果您需要非常大的不锈钢部件，如船舶螺旋桨，您可以考虑线弧快速成型技术（WAAM）。

在评估不锈钢3D打印选项时，要考虑最终零件的密度（90%-99%）、孔隙率（这可能是一个缺点，也可能是一个优点，具体取决于您的应用）以及所需的机械性能（如抗拉强度）。

对于不锈钢3D打印，您可以选择这些3D打印技术：

熔融沉积建模（FDM）

粘合剂喷射

激光粉末床熔融（LPBF），也称为选择性激光熔融（SLM）

冷喷

线弧增材制造（WAAM）

微型3D打印

使用Ultrafuse金属丝在UltiMaker S5上3D打印不锈钢金属部件（来源：UltiMaker）

金属丝桌面打印

最经济的方法是使用台式3D打印机和不锈钢长丝，不锈钢长丝是一种注入了高比例不锈钢粉末的聚合物材料。BASF Forward AM等公司提供的各种经济实惠的桌面式FDM 3D打印机都可以使用这种长丝进行打印。

这些零件通常是小型替换零件或原型，在3D打印出来后，需要去除聚合物粘合剂。然后还要进行烧结，以生产出密度更大的部件。

另一种金属挤压3D打印被称为约束金属沉积（BMD）。采用BMD技术的3D打印机包括Markforged公司的Metal X和Desktop Metal公司的Studio System。它们称自己的材料为"结合金属棒"，而不是长丝。这些金属棒的具体成分是专有的，但它们和金属丝一样，都含有蜡或聚合物粘合剂中的金属粉末。

使用不锈钢丝进行桌面打印可生产出精细的零件，然后需要进行处理才能变成固体（来源：BCN3D）

粘合剂喷射

3D打印不锈钢部件的最快方法是在不锈钢粉末层中加入粘合剂，这种技术被称为粘合剂喷射。不锈钢粉末沉积在构建盒的底部，打印头在构建盒上移动，选择性地喷射粘合剂溶液。三维模型逐层构建，直至完成，然后在烤箱中烘干，以强化粘合剂。总体而言，金属粘合剂喷射部件的材料特性与金属注射成型生产的金属部件相当，而金属注射成型是大规模生产金属部件最广泛使用的制造方法之一。此外，粘合剂喷射零件的表面光滑度很高，尤其是内部通道。

不锈钢金属粘合剂喷射部件需要在印刷后进行二次加工，以获得良好的机械性能。由于喷射速度快，粘合剂喷射通常被用于大批量消费品，例如下图中的眼镜蛇高尔夫球杆。

Cobra King Supersport-35是一款不锈钢3D打印高尔夫推杆，采用HP粘合剂喷射技术（称为Metal Jet）制造（来源：HP）

选择性激光熔融

金属3D打印应用最广泛的方法是激光粉末床熔融（LPBF），也称为选择性激光熔融（SLM）或简单的金属烧结。LPBF3D打印机使用高功率激光选择性地熔化金属粉末。熔化的部件以分子为基础逐层融合在一起，直到完成均质模型。打印床上的包装粉末在打印过程中为模型提供支撑，因此很少需要支撑物。

根据您的应用，在考虑LPBF3D打印成型机时，您需要考虑激光功率水平、激光束直径、扫描速度、可能的层厚（从20微米到120微米）、扫描策略、部件冷却策略，以及不同品牌和品牌内不同型号的其他特点。最终熔化部件的表面光洁度比较粗糙，根据您的要求，可能需要进行后处理，以获得光滑闪亮的效果。

3D Systems采用不锈钢3D打印而成，具有封装内部保形通道，可提高传热系数的板片换热器（来源：3D Systems）

电弧快速成型制造

对于大型部件，如建筑构件或海洋或油气工业部件，WAAM是首选方法。这种方法生产大型金属零件所需的时间和成本仅为传统锻造、铸造或机械加工的一小部分。

线弧快速成型技术使用金属丝作为材料，电弧作为能源，与焊接非常相似。电弧将金属丝熔化，并通过机械臂一层一层地沉积到表面（如多轴转台）上。与焊接一样，惰性气体用于防止氧化，改善或控制金属的性能。

该工艺逐渐将材料制作成一个完整的三维物体或对现有物体进行修复。无需移除支撑结构，必要时可对成品部件进行数控加工，以达到严格的公差要求，或进行表面抛光。通常，打印零件会接受热处理以消除残余应力。

用作船用柴油发动机涡轮增压器的不锈钢叶轮是采用Gefertec的WAAM技术生产的（来源：Gefertec）

三、哪些类型的不锈钢可3D打印

采用山特维克超级双相不锈钢3D打印的海上叶轮（来源：Source:Sandvik）

不锈钢有很多种，每种类型中又有几乎无限的变化。3D打印中最常用的不锈钢类型是：

316L不锈钢：因其耐腐蚀性和机械性能而成为3D打印中最受欢迎的选择。它广泛应用于航空航天、医疗和汽车等各个行业。

17-4 PH不锈钢：这种沉淀硬化不锈钢具有出色的强度、硬度和耐腐蚀性，适用于功能部件和工业应用。

420不锈钢：这种不锈钢通常用于要求高硬度和耐磨性的应用，如工具和模具。

2205双相不锈钢：双相不锈钢具有良好的机械性能和耐腐蚀性能，适用于某些具有挑战性的环境。

并非任何不锈钢都能与3D打印兼容，大多数打印机制造商都会指定特定的金属材料供应商，以便在其机器中使用。最近的研究发现，调整17-4 PH不锈钢的配方可使其在3D打印时产生更一致的效果。"成分控制确实是3D打印合金的关键。通过控制成分，我们能够控制其凝固方式。研究人员张帆说："我们的研究还表明，在很宽的冷却速率范围内，例如在每秒1000到1000万摄氏度之间，我们的成分能够始终如一地生成完全马氏体的17-4 PH钢。

编译整理：ALL3DP