4140钢，已实现粘合剂喷射 3D 打印制造
导读：4140钢被认为是用途最广泛的低合金钢之一，具有良好的韧性、高拉伸强度以及耐磨性和抗冲击性。它是一种关键的通用和可热处理钢，广泛用于各种汽车、石油和天然气以及工业应用，例如齿轮、井下工具部件、联轴器、主轴、螺栓和螺母以及许多其他机械部件。
南极熊获悉，大规模生产增材制造(AM) 领导者Desktop Metal（纽约证券交易所代码：DM）在2021年6月3日宣布，已将4140 低合金钢用于粘合剂喷射平台Production System，利用Single Pass Jetting (SPJ) 技术，旨在大批量3D 打印最终用途的4140零件。
△3D打印4140动力转向接头
Desktop Metal 的联合创始人兼首席技术官 Jonah Myerberg表示4140是一种具有挑战性的金属粘合剂喷射材料，因为合金含量低、碳控制要求严格、点火能量低，需要先进粘合剂化学、打印和烧结优化以及安全加工氛围控制。Desktop Metal希望凭借Production System的速度使粘合剂喷射以具有竞争力的成本打印复杂的4140 零件，同时保持传统制造强度和机械性能。
△4140是一种用途广泛的低合金钢。
4140 低合金钢
据Desktop Metal 的说法，公司材料科学团队已验证由Desktop Metal 烧结的 4140 低合金钢符合金属粉末工业联合会制定的结构粉末冶金零件MPIF 35 标准。在Production System平台上打印的4140零件能够最大限度地减少了材料浪费，与传统制造方法相比，生产时间和零件成本显著降低。对此，Desktop Metal制造了一系列零件以验证材料性能：
动力转向接头：用于电动助力转向电机和汽车转向轴之间的动力传递。使用P-50可实现无模具生产，缩短交货时间，每年产量高达 120 万件低至2.45 美元（约15.67人民币）。
人字齿轮：可用于各种工业机械应用。零件在P-50每年产量高达 200,000个，每次构建嵌套 120 个零件。
线性气动活塞：通过4140 齿条和小齿轮将气压转换为旋转运动。P-50每年可生产多达 690,000 个零件，成本低至每立方厘米0.28 美元（约1.79人民币）。
杠杆驱动：通常用于机器设计中，线性调整机器中部件位置。
Production System
Production System结合了粘合剂喷射和单程喷射技术，是一个工业制造平台，旨在以传统粉末床融合技术100 倍的速度，大规模生产更具竞争力的零件。平台由两种打印机型号组成：P-1，用于工艺开发和批量生产；P-50，用于最终用途零件的大型批量生产。Production System将Desktop Metal工程粘合剂与开放材料平台相结合，使客户能够使用与金属注射成型(MIM) 相同的低成本金属粉末生产高性能零件。惰性加工环境可与多种材料兼容，包括 4140 低合金钢以及其他高性能合金，甚至铝和钛等活性金属。
△Production System
如今，Production System平台材料库包括17-4 PH不锈钢、316L不锈钢和4140低合金钢，均已通过Desktop Metal认证。平台还支持多种符合客户要求的材料，包括银和金。Desktop Metal 还计划在产品组合中添加其他金属，包括工具钢、不锈钢、高温合金、铜等。
粘合剂喷射基础知识
市面上的粘合剂喷射系统大都采用与以下类似的工艺步骤：
1. 将新鲜粉末沉积在打印床上。这一步骤有多种方法可以实现，一些打印机使用所谓的“床到床”粉末计量：粉末从进料活塞供给，然后被推到打印床的顶部；或者，可以从上方计量粉末并且计量装置平移穿过床以分配粉末。
2. 将刚沉积的粉末均匀地铺在整个床上并稍微压实。振动叶片和反向旋转滚筒是实现这一典型方式的两个例子。
3. 将粘合剂打印到粉床上。通常使用喷墨技术将粘合剂图案化到床上：一个或多个喷墨打印头组成一组喷嘴，可以将液滴精确喷射到需要粘合剂的位置。在这一步骤中，阵列至少在一个方向上穿过构建区域进行平移。如果喷墨阵列比构建盒短，或者如果打印头的原始分辨率低于所需的打印分辨率，则需要在二维方向上平移喷墨喷嘴阵列完成打印。
4. 最后（可选）步骤是干燥或后处理含有湿粘合剂的打印床。
然后对下一层重复这些步骤，并重复过程直到构建完成。这种方法是粘合剂喷射的典型方法，完成每一层可能需要20 秒或更长时间，但单个打印作业可能需要数千层才能完成。层数越薄，打印时间越长。
△单程喷射
单程喷射技术Single Pass Jetting
SPJ 采用所有粘合剂喷射工艺步骤，并将它们组合成一个统一的步骤，在一次运行中同时执行所有步骤。据称，每一层都可以在大约3 秒内完成，大大加快了打印过程。
△P-50量产打印机小车示意图
P-50利用各种模块协同工作进行打印：
A. 打印机包括两个用于容纳新鲜粉末的料斗。粉末通过粉末处理单元(PPU) 自动传送到料斗。
B. 粉末通过两个反向旋转辊之间的精确间隙从料斗可控地铺设到床上。SPJ™技术使用恒定波传播[SB1]方法在压实辊前产生粉末“波”，从而产生一致的床密度（这是实现严格几何公差和一致性的关键要求）。压实辊与计量工具配合，将粉末铺开并略微压实。
C. 防弹射模块[SB2]在打印过程中处理新压实的粉末床以控制颗粒。喷墨打印头的墨滴以每秒8 米的速度排出。当它们撞击粉床时，部分动能会转移到粉床内的颗粒上。如果不加控制，颗粒会飞回喷墨打印头，随着时间的推移，会堵塞喷嘴。防弹技术消除了这种喷射物，大大提高了喷射可靠性。
D. 打印模块带有喷墨打印阵列[SB3]，能够在一次通过时对床上的每个 1200x1200dpi 像素位置进行定位。Desktop Metal特意选择了高性能工业喷墨打印头，以便提供高分辨率和高产量。通过一系列喷嘴处理粉末床，Production System实现了打印速度的提升。此外，整个阵列采用防联合技术，可以在每一层之间穿梭。通过沿正交方向稍微移动阵列，确保粘合剂覆盖一致性。
△生产车间
单程喷射打印头的对称设计能够实现反向执行相同步骤，这种双向打印功能可确保实现最大生产力。一层完成后，构建平台会根据层高下降并立即开始打印下一层。DesktopMetal 的单程喷射系统将所有粘合剂喷射步骤整合到一个托架中，减少运动步骤，可进行快速生产，同时不牺牲打印分辨率或零件质量。
Desktop Metal的粘合剂喷射打印技术
综合了以上技术，整个打印步骤总体可分为三步：
1. 打印：使用双向单程喷射，每一层的打印过程分为：粉末沉积、铺展、压实、弹道抑制和粘合剂喷射。一层一层地沉积金属粉末和粘合剂，直到整个构建体被打印部分和周围的松散粉末填满为止。
△打印
2. 脱粉：构建完成后，将移除构建框，并用新框替换下一个构建。完整的成型箱被移至脱粉工位，在那里除去散粉，并准备好进行烧结的零件。
△脱粉
3. 烧结：脱粉的零件装入工业炉中，在那里将它们加热到接近熔化的温度。除去剩余的粘合剂，金属颗粒融合在一起，使零件致密。
△烧结
Desktop Metal的发展
根据公司最近的操作，Desktop Metal正在有意识地通过收购不同公司来扩展产品组合和3D打印方向。例如，收购EnvisionTEC和Adaptive3D推广3D打印弹性材料；收购Forust推出木质3D打印；利用EnvisionTEC的3D Bioplotter等技术推出生物医疗3D打印Desktop Health，并且这家公司似乎还有意向收购SLM Solution。
△Production System
尽管如此，这家公司在金属3D打印领域依然保持这很高的活跃度。2021年3月，Desktop Metal和Uniformity Labs突破粘合剂喷射3D打印铝技术。4月，Desktop Metal开始大批量粘结剂喷射3D打印316L不锈钢零件。如今推广的4140低合金钢材又给这家公司的材料平台增加了新的可能性，未来的发展值得期待！
参考阅读：
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：3亿美元收购德国光固化3D打印大厂EnvisionTEC，Desktop Metal并购大戏开启
7. Desktop Metal推出Desktop Health生物医疗3D打印业务
8. 对德国金属3D打印厂商SLM收购报价6亿欧元？Desktop Metal虎视眈眈
9. Desktop Metal推出木质3D打印技术Forust
10. 增强弹性3D打印！DesktopMetal收购Adaptive3D
11. Desktop Metal开始大批量粘结剂喷射3D打印316L不锈钢零件
12. Desktop Metal和Uniformity Labs突破粘合剂喷射3D打印铝技术
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