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�量��,、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爭力的成本打印復(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)無模具生產(chǎn),，縮短交貨時(shí)間,，每年產(chǎn)量高達(dá) 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(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,，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(jī)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(rèn)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(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

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(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,。

△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�,。�

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

B. 粉末通過兩個(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,，將粉末鋪開并略微壓實(shí)。

C. 防彈射模塊[SB2]在打印過程中處理新壓實(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]，能夠在一次通過時(shí)對床上的每個(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)建平臺會(huì)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(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正在有意識地通過收購不同公司來擴(kuò)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�,。焕�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(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�,。�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)