來自3D Microprint、Desktop Metal、Materialise和EOS的不銹鋼零件。

從餐具和手術工具到汽車零件和渦輪葉片，不銹鋼在我們身邊隨處可見，這是有道理的。它具有很強的耐腐蝕性和耐熱性，而且是一種重量輕、價格低廉的金屬，是3D打印的理想材料。

如今，3D打印不銹鋼已被用于多種工業(yè)部件以及設計、建筑和藝術應用。為什么會這樣？因為它通常比傳統(tǒng)制造方法更快、更便宜、更高效。

如果您正在尋找不銹鋼備件、原型或工具，魔猴網可以為您提供3D打印服務。讓我們來看看3D打印不銹鋼的相關知識。

一、為什么選擇3D打印不銹鋼？

這種不銹鋼無摩擦齒輪機構由瑞士CSEM為歐洲航天局開發(fā)，具有可彎曲葉片和互鎖晶格結構，如果不使用3D打印就無法制造（來源：ESA）

制造商對不銹鋼進行沖壓、切割、成型和焊接已有100多年的歷史。3D打印金屬的歷史雖然只有幾十年，但在速度和成本方面已經可以與傳統(tǒng)方法相媲美。此外，3D打印還能實現(xiàn)其他制造方法無法實現(xiàn)的復雜設計，從而推動產品創(chuàng)新。

在了解如何用不銹鋼進行3D打印之前，讓我們先通過今天的公司來了解一下"為什么"要這樣做。

獨特的工具

阿勒格尼電氣公司的大批量生產工廠無法停止生產，因為它的六軸機器人需要一個新的臂端工具來進行序列檢測。但該工具對于公司的需求來說是獨一無二的，而且是必須連接到其他兩個臂端工具件的組件的一部分。最初的原型是用碳增強塑料3D打印的，但這種材料不夠耐用。隨后，阿勒格尼電氣公司轉而采用不銹鋼（17-4PH），使用打印機制造商ExOne（現(xiàn)為Desktop Metal公司的一部分）提供的快速、經濟的粘合劑噴射3D打印技術。但該公司并沒有使用3D打印技術打印完全相同的零件，而是利用3D打印技術提供的形狀自由度重新設計了零件。為3D打印重新設計零件使該公司通過合并零件減輕了約40%的重量，并將材料浪費減少到5%以下。最終部件（如下圖）的打印耗時不到一天，成本約為150美元。

EOS為Allegheny Electric定制的3D打印不銹鋼臂端工具（來源：EOS）

獨一無二的備件

要讓一輛著名的1952年賽車--28號康明斯柴油特制賽車運轉起來，需要一個新的水泵。原來的水泵是專為28號賽車設計的，這意味著沒有任何生產備用零件可以滿足要求。更復雜的是，28號賽車必須在幾周內完成比賽，這就排除了采用傳統(tǒng)的砂型鑄造方法更換零件的可能性，因為預計的交貨時間為10周。

康明斯工程師轉而采用逆向工程和金屬3D打印技術，使用3D Systems公司的激光粉末床熔融3D打印機。新水泵（如下圖）采用316-L不銹鋼材料，僅用三天時間就完成了3D打印，整個過程用時5周，而不是10周。外殼與水泵的其他部件完美匹配，在賽車的六場比賽中發(fā)揮了煥然一新的性能。

原裝#28 Cummins Diesel Special賽車水泵（左）和3D Systems的不銹鋼3D打印補充件（來源：3D Systems）

美國海軍最近在"巴丹"號戰(zhàn)艦的工具間安裝了一臺Meltio 3D打印機，開始使用不銹鋼3D打印技術。Meltio使用激光熔化金屬絲并逐層沉積，然后通過內置的數控銑床將零件加工到最終公差。該系統(tǒng)將在316L不銹鋼（一種常見的艦載材料，具有極佳的耐腐蝕性）上運行，并打印設備的維修零件，包括過時的部件。這為無需返回碼頭即可維修系統(tǒng)提供了可能。

藝術與建造

荷蘭MX3D公司利用線弧增材制造（WAAM）3D打印技術，3D打印出一座功能齊全的不銹鋼橋，橫跨阿姆斯特丹市中心最古老、最著名的運河之一。這種新穎的方法使該公司能夠用金屬3D打印出堅固、復雜和優(yōu)美的不銹鋼結構。這座橋不僅美觀獨特，而且其結構中的通道還安裝了傳感器，可以實時測量橋上的交通和負載情況。

MX3D在阿姆斯特丹創(chuàng)建的不銹鋼3D打印橋梁（攝影：Thea van den Heuvel） 

復雜工業(yè)部件原型

葉輪是泵的重要組成部分，它控制著泵的壓力，必須為每種特定應用而設計。葉輪需要幾何形狀復雜的葉片，這些葉片是專為通過泵的流體而設計的。這些定制葉片既昂貴又難以制造，需要使用昂貴的資本設備和熟練工人。

有了內部打印316L不銹鋼部件的能力，設計團隊現(xiàn)在可以使用最終部件所需的相同金屬材料，快速生產出功能原型進行測試。下圖中使用桌面金屬工作室系統(tǒng)打印的不銹鋼葉輪，每個部件的打印成本約為70美元。遠遠低于數控加工原型的成本，在需要對原型進行多次迭代的情況下，可以大大節(jié)省成本。

3D打印不銹鋼葉輪功能原型（來源：Desktop Metal）

醫(yī)療工具功能原型

Shukla Medical使用Markforged的17-4 PH不銹鋼，用與許多最終產品相同的材料進行3D打印原型，而不是使用數控機床。現(xiàn)在，他們使用Markforged碳纖維3D打印機打印初始原型，然后使用Markforged Metal X系統(tǒng)打印最終原型，交到外科醫(yī)生手中進行評估。"公司的產品開發(fā)經理Zack Sweitzer說："外科醫(yī)生可以設想在實際切口中使用它，并告訴我們它在他們手中的感覺是否合適。"能夠更高效地制作原型并更快地將成品推向市場，將使我們始終走在行業(yè)前沿。

Shukla Medical 3D打印了這些不銹鋼直升機插座原型（骨科醫(yī)生使用）

使醫(yī)生能夠測試和評估該工具（來源：Markforged）

二、如何3D打印不銹鋼

在不銹鋼3D打印技術中，微型3D打印可生產精細的零件（來源：3D Microprint）

3D打印不銹鋼的方法不止一種，每種方法在價格、速度、質量和體積方面都各有利弊。

有些不銹鋼3D打印機可以放在辦公桌上，而有些則可以擺滿整個房間。同樣，打印出的金屬零件也具有多種機械性能，因此您需要對不同的方法有所了解，才能找到適合您項目的方法。

例如，如果工廠生產需要更換噴嘴，臺式FDM打印機可能是最快捷、最便宜的選擇。但是，如果你的不銹鋼零件需要承受一定的壓力和作用力，你就需要采用激光粉末床熔融技術或金屬粘合劑噴射技術。如果您需要非常大的不銹鋼部件，如船舶螺旋槳，您可以考慮線弧快速成型技術（WAAM）。

在評估不銹鋼3D打印選項時，要考慮最終零件的密度（90%-99%）、孔隙率（這可能是一個缺點，也可能是一個優(yōu)點，具體取決于您的應用）以及所需的機械性能（如抗拉強度）。

對于不銹鋼3D打印，您可以選擇這些3D打印技術：

熔融沉積建模（FDM）

粘合劑噴射

激光粉末床熔融（LPBF），也稱為選擇性激光熔融（SLM）

冷噴

線弧增材制造（WAAM）

微型3D打印

使用Ultrafuse金屬絲在UltiMaker S5上3D打印不銹鋼金屬部件（來源：UltiMaker）

金屬絲桌面打印

最經濟的方法是使用臺式3D打印機和不銹鋼長絲，不銹鋼長絲是一種注入了高比例不銹鋼粉末的聚合物材料。BASF Forward AM等公司提供的各種經濟實惠的桌面式FDM 3D打印機都可以使用這種長絲進行打印。

這些零件通常是小型替換零件或原型，在3D打印出來后，需要去除聚合物粘合劑。然后還要進行燒結，以生產出密度更大的部件。

另一種金屬擠壓3D打印被稱為約束金屬沉積（BMD）。采用BMD技術的3D打印機包括Markforged公司的Metal X和Desktop Metal公司的Studio System。它們稱自己的材料為"結合金屬棒"，而不是長絲。這些金屬棒的具體成分是專有的，但它們和金屬絲一樣，都含有蠟或聚合物粘合劑中的金屬粉末。

使用不銹鋼絲進行桌面打印可生產出精細的零件，然后需要進行處理才能變成固體（來源：BCN3D）

粘合劑噴射

3D打印不銹鋼部件的最快方法是在不銹鋼粉末層中加入粘合劑，這種技術被稱為粘合劑噴射。不銹鋼粉末沉積在構建盒的底部，打印頭在構建盒上移動，選擇性地噴射粘合劑溶液。三維模型逐層構建，直至完成，然后在烤箱中烘干，以強化粘合劑?？傮w而言，金屬粘合劑噴射部件的材料特性與金屬注射成型生產的金屬部件相當，而金屬注射成型是大規(guī)模生產金屬部件最廣泛使用的制造方法之一。此外，粘合劑噴射零件的表面光滑度很高，尤其是內部通道。

不銹鋼金屬粘合劑噴射部件需要在印刷后進行二次加工，以獲得良好的機械性能。由于噴射速度快，粘合劑噴射通常被用于大批量消費品，例如下圖中的眼鏡蛇高爾夫球桿。

Cobra King Supersport-35是一款不銹鋼3D打印高爾夫推桿，采用HP粘合劑噴射技術（稱為Metal Jet）制造（來源：HP）

選擇性激光熔融

金屬3D打印應用最廣泛的方法是激光粉末床熔融（LPBF），也稱為選擇性激光熔融（SLM）或簡單的金屬燒結。LPBF3D打印機使用高功率激光選擇性地熔化金屬粉末。熔化的部件以分子為基礎逐層融合在一起，直到完成均質模型。打印床上的包裝粉末在打印過程中為模型提供支撐，因此很少需要支撐物。

根據您的應用，在考慮LPBF3D打印成型機時，您需要考慮激光功率水平、激光束直徑、掃描速度、可能的層厚（從20微米到120微米）、掃描策略、部件冷卻策略，以及不同品牌和品牌內不同型號的其他特點。最終熔化部件的表面光潔度比較粗糙，根據您的要求，可能需要進行后處理，以獲得光滑閃亮的效果。

3D Systems采用不銹鋼3D打印而成，具有封裝內部保形通道，可提高傳熱系數的板片換熱器（來源：3D Systems）

電弧快速成型制造

對于大型部件，如建筑構件或海洋或油氣工業(yè)部件，WAAM是首選方法。這種方法生產大型金屬零件所需的時間和成本僅為傳統(tǒng)鍛造、鑄造或機械加工的一小部分。

線弧快速成型技術使用金屬絲作為材料，電弧作為能源，與焊接非常相似。電弧將金屬絲熔化，并通過機械臂一層一層地沉積到表面（如多軸轉臺）上。與焊接一樣，惰性氣體用于防止氧化，改善或控制金屬的性能。

該工藝逐漸將材料制作成一個完整的三維物體或對現(xiàn)有物體進行修復。無需移除支撐結構，必要時可對成品部件進行數控加工，以達到嚴格的公差要求，或進行表面拋光。通常，打印零件會接受熱處理以消除殘余應力。

用作船用柴油發(fā)動機渦輪增壓器的不銹鋼葉輪是采用Gefertec的WAAM技術生產的（來源：Gefertec）

三、哪些類型的不銹鋼可3D打印

采用山特維克超級雙相不銹鋼3D打印的海上葉輪（來源：Source:Sandvik）

不銹鋼有很多種，每種類型中又有幾乎無限的變化。3D打印中最常用的不銹鋼類型是：

316L不銹鋼：因其耐腐蝕性和機械性能而成為3D打印中最受歡迎的選擇。它廣泛應用于航空航天、醫(yī)療和汽車等各個行業(yè)。

17-4 PH不銹鋼：這種沉淀硬化不銹鋼具有出色的強度、硬度和耐腐蝕性，適用于功能部件和工業(yè)應用。

420不銹鋼：這種不銹鋼通常用于要求高硬度和耐磨性的應用，如工具和模具。

2205雙相不銹鋼：雙相不銹鋼具有良好的機械性能和耐腐蝕性能，適用于某些具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。

并非任何不銹鋼都能與3D打印兼容，大多數打印機制造商都會指定特定的金屬材料供應商，以便在其機器中使用。最近的研究發(fā)現(xiàn)，調整17-4 PH不銹鋼的配方可使其在3D打印時產生更一致的效果。"成分控制確實是3D打印合金的關鍵。通過控制成分，我們能夠控制其凝固方式。研究人員張帆說："我們的研究還表明，在很寬的冷卻速率范圍內，例如在每秒1000到1000萬攝氏度之間，我們的成分能夠始終如一地生成完全馬氏體的17-4 PH鋼。

編譯整理：ALL3DP