DESKTOP METAL將4140鋼用于粘合劑噴射 3D 打印技術(shù)

導讀：4140鋼被認為是用途最廣泛的低合金鋼之一，具有良好的韌性、高拉伸強度以及耐磨性和抗沖擊性。它是一種關(guān)鍵的通用和可熱處理鋼，廣泛用于各種汽車、石油和天然氣以及工業(yè)應(yīng)用，例如齒輪、井下工具部件、聯(lián)軸器、主軸、螺栓和螺母以及許多其他機械部件。

南極熊獲悉，大規(guī)模生產(chǎn)增材制造(AM) 領(lǐng)導者Desktop Metal（紐約證券交易所代碼：DM）在2021年6月3日宣布，已將4140 低合金鋼用于粘合劑噴射平臺Production System，利用Single Pass Jetting (SPJ) 技術(shù)，旨在大批量3D 打印最終用途的4140零件。

△3D打印4140動力轉(zhuǎn)向接頭

Desktop Metal 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Jonah Myerberg表示4140是一種具有挑戰(zhàn)性的金屬粘合劑噴射材料，因為合金含量低、碳控制要求嚴格、點火能量低，需要先進粘合劑化學、打印和燒結(jié)優(yōu)化以及安全加工氛圍控制。Desktop Metal希望憑借Production System的速度使粘合劑噴射以具有競爭力的成本打印復(fù)雜的4140 零件，同時保持傳統(tǒng)制造強度和機械性能。

△4140是一種用途廣泛的低合金鋼。

4140 低合金鋼

據(jù)Desktop Metal 的說法，公司材料科學團隊已驗證由Desktop Metal 燒結(jié)的 4140 低合金鋼符合金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會制定的結(jié)構(gòu)粉末冶金零件MPIF 35 標準。在Production System平臺上打印的4140零件能夠最大限度地減少了材料浪費，與傳統(tǒng)制造方法相比，生產(chǎn)時間和零件成本顯著降低。對此，Desktop Metal制造了一系列零件以驗證材料性能：

• 動力轉(zhuǎn)向接頭：用于電動助力轉(zhuǎn)向電機和汽車轉(zhuǎn)向軸之間的動力傳遞。使用P-50可實現(xiàn)無模具生產(chǎn)，縮短交貨時間，每年產(chǎn)量高達 120 萬件低至2.45 美元（約15.67人民幣）。
  

• 人字齒輪：可用于各種工業(yè)機械應(yīng)用。零件在P-50每年產(chǎn)量高達 200,000個，每次構(gòu)建嵌套 120 個零件。
  

• 線性氣動活塞：通過4140 齒條和小齒輪將氣壓轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。P-50每年可生產(chǎn)多達 690,000 個零件，成本低至每立方厘米0.28 美元（約1.79人民幣）。
  

• 杠桿驅(qū)動：通常用于機器設(shè)計中，線性調(diào)整機器中部件位置。
  

Production System

Production System結(jié)合了粘合劑噴射和單程噴射技術(shù)，是一個工業(yè)制造平臺，旨在以傳統(tǒng)粉末床融合技術(shù)100 倍的速度，大規(guī)模生產(chǎn)更具競爭力的零件。平臺由兩種打印機型號組成：P-1，用于工藝開發(fā)和批量生產(chǎn)；P-50，用于最終用途零件的大型批量生產(chǎn)。Production System將Desktop Metal工程粘合劑與開放材料平臺相結(jié)合，使客戶能夠使用與金屬注射成型(MIM) 相同的低成本金屬粉末生產(chǎn)高性能零件。惰性加工環(huán)境可與多種材料兼容，包括 4140 低合金鋼以及其他高性能合金，甚至鋁和鈦等活性金屬。

△Production System

如今，Production System平臺材料庫包括17-4 PH不銹鋼、316L不銹鋼和4140低合金鋼，均已通過Desktop Metal認證。平臺還支持多種符合客戶要求的材料，包括銀和金。Desktop Metal 還計劃在產(chǎn)品組合中添加其他金屬，包括工具鋼、不銹鋼、高溫合金、銅等。

粘合劑噴射基礎(chǔ)知識

市面上的粘合劑噴射系統(tǒng)大都采用與以下類似的工藝步驟：

1. 將新鮮粉末沉積在打印床上。這一步驟有多種方法可以實現(xiàn)，一些打印機使用所謂的“床到床”粉末計量：粉末從進料活塞供給，然后被推到打印床的頂部；或者，可以從上方計量粉末并且計量裝置平移穿過床以分配粉末。

2. 將剛沉積的粉末均勻地鋪在整個床上并稍微壓實。振動葉片和反向旋轉(zhuǎn)滾筒是實現(xiàn)這一典型方式的兩個例子。

3. 將粘合劑打印到粉床上。通常使用噴墨技術(shù)將粘合劑圖案化到床上：一個或多個噴墨打印頭組成一組噴嘴，可以將液滴精確噴射到需要粘合劑的位置。在這一步驟中，陣列至少在一個方向上穿過構(gòu)建區(qū)域進行平移。如果噴墨陣列比構(gòu)建盒短，或者如果打印頭的原始分辨率低于所需的打印分辨率，則需要在二維方向上平移噴墨噴嘴陣列完成打印。

4. 最后（可選）步驟是干燥或后處理含有濕粘合劑的打印床。

然后對下一層重復(fù)這些步驟，并重復(fù)過程直到構(gòu)建完成。這種方法是粘合劑噴射的典型方法，完成每一層可能需要20 秒或更長時間，但單個打印作業(yè)可能需要數(shù)千層才能完成。層數(shù)越薄，打印時間越長。

△單程噴射

單程噴射技術(shù)Single Pass Jetting

SPJ 采用所有粘合劑噴射工藝步驟，并將它們組合成一個統(tǒng)一的步驟，在一次運行中同時執(zhí)行所有步驟。據(jù)稱，每一層都可以在大約3 秒內(nèi)完成，大大加快了打印過程。

△P-50量產(chǎn)打印機小車示意圖

P-50利用各種模塊協(xié)同工作進行打?。?/div>

A. 打印機包括兩個用于容納新鮮粉末的料斗。粉末通過粉末處理單元(PPU) 自動傳送到料斗。

B. 粉末通過兩個反向旋轉(zhuǎn)輥之間的精確間隙從料斗可控地鋪設(shè)到床上。SPJ™技術(shù)使用恒定波傳播[SB1]方法在壓實輥前產(chǎn)生粉末“波”，從而產(chǎn)生一致的床密度（這是實現(xiàn)嚴格幾何公差和一致性的關(guān)鍵要求）。壓實輥與計量工具配合，將粉末鋪開并略微壓實。

C. 防彈射模塊[SB2]在打印過程中處理新壓實的粉末床以控制顆粒。噴墨打印頭的墨滴以每秒8 米的速度排出。當它們撞擊粉床時，部分動能會轉(zhuǎn)移到粉床內(nèi)的顆粒上。如果不加控制，顆粒會飛回噴墨打印頭，隨著時間的推移，會堵塞噴嘴。防彈技術(shù)消除了這種噴射物，大大提高了噴射可靠性。

D. 打印模塊帶有噴墨打印陣列[SB3]，能夠在一次通過時對床上的每個 1200x1200dpi 像素位置進行定位。Desktop Metal特意選擇了高性能工業(yè)噴墨打印頭，以便提供高分辨率和高產(chǎn)量。通過一系列噴嘴處理粉末床，Production System實現(xiàn)了打印速度的提升。此外，整個陣列采用防聯(lián)合技術(shù)，可以在每一層之間穿梭。通過沿正交方向稍微移動陣列，確保粘合劑覆蓋一致性。

△單程噴射生產(chǎn)系統(tǒng)打印小車

單程噴射打印頭的對稱設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)反向執(zhí)行相同步驟，這種雙向打印功能可確保實現(xiàn)最大生產(chǎn)力。一層完成后，構(gòu)建平臺會根據(jù)層高下降并立即開始打印下一層。DesktopMetal 的單程噴射系統(tǒng)將所有粘合劑噴射步驟整合到一個托架中，減少運動步驟，可進行快速生產(chǎn)，同時不犧牲打印分辨率或零件質(zhì)量。

Desktop Metal的粘合劑噴射打印技術(shù)

綜合了以上技術(shù)，整個打印步驟總體可分為三步：

1. 打印：使用雙向單程噴射，每一層的打印過程分為：粉末沉積、鋪展、壓實、彈道抑制和粘合劑噴射。一層一層地沉積金屬粉末和粘合劑，直到整個構(gòu)建體被打印部分和周圍的松散粉末填滿為止。

△打印

2. 脫粉：構(gòu)建完成后，將移除構(gòu)建框，并用新框替換下一個構(gòu)建。完整的成型箱被移至脫粉工位，在那里除去散粉，并準備好進行燒結(jié)的零件。

△脫粉

3. 燒結(jié)：脫粉的零件裝入工業(yè)爐中，在那里將它們加熱到接近熔化的溫度。除去剩余的粘合劑，金屬顆粒融合在一起，使零件致密。

△燒結(jié)

Desktop Metal的發(fā)展

根據(jù)公司最近的操作，Desktop Metal正在有意識地通過收購不同公司來擴展產(chǎn)品組合和3D打印方向。例如，收購EnvisionTEC和Adaptive3D推廣3D打印彈性材料；收購Forust推出木質(zhì)3D打印；利用EnvisionTEC的3D Bioplotter等技術(shù)推出生物醫(yī)療3D打印Desktop Health，并且這家公司似乎還有意向收購SLM Solution。

△Production System

盡管如此，這家公司在金屬3D打印領(lǐng)域依然保持這很高的活躍度。2021年3月，Desktop Metal和Uniformity Labs突破粘合劑噴射3D打印鋁技術(shù)。4月，Desktop Metal開始大批量粘結(jié)劑噴射3D打印316L不銹鋼零件。如今推廣的4140低合金鋼材又給這家公司的材料平臺增加了新的可能性，未來的發(fā)展值得期待！

參考閱讀：

1. Desktop Metal Qualifies 4140 Low-Alloy Steel for High-Volume Additive Manufacturing of End-Use Parts With the Production System

2. Production System™
3. What is Single Pass Jetting™?
4. Why Binder Jetting?
5. Desktop Metal Qualifies Another Metal For High-VolumeAdditive Manufacturing
6. 重磅：3億美元收購德國光固化3D打印大廠EnvisionTEC，Desktop Metal并購大戲開啟
7. Desktop Metal推出Desktop Health生物醫(yī)療3D打印業(yè)務(wù)
8. 對德國金屬3D打印廠商SLM收購報價6億歐元？Desktop Metal虎視眈眈
9. Desktop Metal推出木質(zhì)3D打印技術(shù)Forust
10. 增強彈性3D打??！DesktopMetal收購Adaptive3D
11. Desktop Metal開始大批量粘結(jié)劑噴射3D打印316L不銹鋼零件
12. Desktop Metal和Uniformity Labs突破粘合劑噴射3D打印鋁技術(shù)