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

導(dǎo)讀：4140鋼被認(rèn)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(qiáng)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(jī)械部件。

南極熊獲悉，大規(guī)模生產(chǎn)增材制造(AM) 領(lǐng)導(dǎo)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(tái)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(dòng)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?yàn)楹辖鸷康?、碳控制要求?yán)格、點(diǎn)火能量低，需要先進(jìn)粘合劑化學(xué)、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(jìng)爭(zhēng)力的成本打印復(fù)雜的4140 零件，同時(shí)保持傳統(tǒng)制造強(qiáng)度和機(jī)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(shuō)法，公司材料科學(xué)團(tuán)隊(duì)已驗(yàn)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(huì)制定的結(jié)構(gòu)粉末冶金零件MPIF 35 標(biāo)準(zhǔn)。在Production System平臺(tái)上打印的4140零件能夠最大限度地減少了材料浪費(fèi)，與傳統(tǒng)制造方法相比，生產(chǎn)時(shí)間和零件成本顯著降低。對(duì)此，Desktop Metal制造了一系列零件以驗(yàn)證材料性能：

• 動(dòng)力轉(zhuǎn)向接頭：用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)和汽車轉(zhuǎn)向軸之間的動(dòng)力傳遞。使用P-50可實(shí)現(xiàn)無(wú)模具生產(chǎn)，縮短交貨時(shí)間，每年產(chǎn)量高達(dá) 120 萬(wàn)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(jī)械應(yīng)用。零件在P-50每年產(chǎn)量高達(dá) 200,000個(gè)，每次構(gòu)建嵌套 120 個(gè)零件。
  

• 線性氣動(dòng)活塞：通過(guò)4140 齒條和小齒輪將氣壓轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。P-50每年可生產(chǎn)多達(dá) 690,000 個(gè)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(dòng)：通常用于機(jī)器設(shè)計(jì)中，線性調(diào)整機(jī)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(gè)工業(yè)制造平臺(tái)，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(jìng)爭(zhēng)力的零件。平臺(tái)由兩種打印機(jī)型號(hào)組成：P-1，用于工藝開(kāi)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(kāi)放材料平臺(tái)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(tái)材料庫(kù)包括17-4 PH不銹鋼、316L不銹鋼和4140低合金鋼，均已通過(guò)Desktop Metal認(rèn)證。平臺(tái)還支持多種符合客戶要求的材料，包括銀和金。Desktop Metal 還計(jì)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(shí)

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(shí)現(xiàn)，一些打印機(jī)使用所謂的“床到床”粉末計(jì)量：粉末從進(jìn)料活塞供給，然后被推到打印床的頂部；或者，可以從上方計(jì)量粉末并且計(jì)量裝置平移穿過(guò)床以分配粉末。

2. 將剛沉積的粉末均勻地鋪在整個(gè)床上并稍微壓實(shí)。振動(dòng)葉片和反向旋轉(zhuǎn)滾筒是實(shí)現(xiàn)這一典型方式的兩個(gè)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(gè)或多個(gè)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(gè)方向上穿過(guò)構(gòu)建區(qū)域進(jìn)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(duì)下一層重復(fù)這些步驟，并重復(fù)過(guò)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(zhǎng)時(shí)間，但單個(gè)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(shí)間越長(zhǎng)。

△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(gè)統(tǒng)一的步驟，在一次運(yùn)行中同時(shí)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(guò)程。

△P-50量產(chǎn)打印機(jī)小車示意圖

P-50利用各種模塊協(xié)同工作進(jìn)行打?。?/div>

A. 打印機(jī)包括兩個(gè)用于容納新鮮粉末的料斗。粉末通過(guò)粉末處理單元(PPU) 自動(dòng)傳送到料斗。

B. 粉末通過(guò)兩個(gè)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(shí)輥前產(chǎn)生粉末“波”，從而產(chǎn)生一致的床密度（這是實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格幾何公差和一致性的關(guān)鍵要求）。壓實(shí)輥與計(jì)量工具配合，將粉末鋪開(kāi)并略微壓實(shí)。

C. 防彈射模塊[SB2]在打印過(guò)程中處理新壓實(shí)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(dāng)它們撞擊粉床時(shí)，部分動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)移到粉床內(nèi)的顆粒上。如果不加控制，顆粒會(huì)飛回噴墨打印頭，隨著時(shí)間的推移，會(huì)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(guò)時(shí)對(duì)床上的每個(gè) 1200x1200dpi 像素位置進(jìn)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(guò)一系列噴嘴處理粉末床，Production System實(shí)現(xiàn)了打印速度的提升。此外，整個(gè)陣列采用防聯(lián)合技術(shù)，可以在每一層之間穿梭。通過(guò)沿正交方向稍微移動(dòng)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(duì)稱設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)最大生產(chǎn)力。一層完成后，構(gòu)建平臺(tái)會(huì)根據(jù)層高下降并立即開(kāi)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(gè)托架中，減少運(yùn)動(dòng)步驟，可進(jìn)行快速生產(chǎn)，同時(shí)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(gè)打印步驟總體可分為三步：

1. 打?。菏褂秒p向單程噴射，每一層的打印過(guò)程分為：粉末沉積、鋪展、壓實(shí)、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(gè)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(gè)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(zhǔn)備好進(jìn)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(shí)地通過(guò)收購(gòu)不同公司來(lái)擴(kuò)展產(chǎn)品組合和3D打印方向。例如，收購(gòu)EnvisionTEC和Adaptive3D推廣3D打印彈性材料；收購(gòu)Forust推出木質(zhì)3D打??；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(gòu)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(kāi)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(tái)增加了新的可能性，未來(lái)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(gòu)德國(guó)光固化3D打印大廠EnvisionTEC，Desktop Metal并購(gòu)大戲開(kāi)啟
7. Desktop Metal推出Desktop Health生物醫(yī)療3D打印業(yè)務(wù)
8. 對(duì)德國(guó)金屬3D打印廠商SLM收購(gòu)報(bào)價(jià)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(qiáng)彈性3D打印！DesktopMetal收購(gòu)Adaptive3D
11. Desktop Metal開(kāi)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)