Нержавеющая сталь 316L в аддитивном производстве: от имплантатов до деталей двигателей

Что такое 316L? | Преимущества 3D‑печати нержавеющей сталью 316L | Сферы применения | Процессы производства 316L аддитивными методами | Характеристики порошка | Применение 316L в компонентах автомобильных двигателей

От столовых приборов и хирургических инструментов до автозапчастей и лопаток турбин – нержавеющая сталь окружает нас повсюду. Неудивительно – ведь это легкий и доступный металл, исключительно устойчивый к коррозии и высоким температурам. Применяется он и в аддитивном производстве.

Существует множество видов нержавеющей стали и бесчисленные вариации внутри каждого вида. Не всякая нержавейка совместима с 3D‑печатью, и производители аддитивных установок, как правило, определяют конкретных поставщиков расходных материалов для своих машин. Можно утверждать, что благодаря своим свойствам 316L – самая широко используемая в аддитивных процессах нержавеющая сталь.

Что такое 316L?

Это низкоуглеродистый стальной сплав аустенитного класса на основе никеля, хрома и молибдена, сочетающий в себе отличную прочность, высокую пластичность и хорошие термические свойства. За счет высокой стойкости к коррозии, в том числе химической, выкрашиванию и воздействию хлорида этот материал подходит для изготовления компонентов машин (теплообменники, детали турбинных и автомобильных двигателей, выхлопные системы, компоненты оборудования в нефтегазовой, химической, энергетической, авиационной, судостроительной и других отраслях), потребительских товаров, медицинских устройств, а также он совместим с пищевыми продуктами. По общим показателям этот сплав лучше марок 310 и 304. Российский аналог AISI 316L по ГОСТ – 03Х17Н14М3.

Заказать порошок под ваши требования

Преимущества 3D‑печати нержавеющей сталью 316L

1. Антикоррозийные свойства

Нержавеющая сталь 316L обладает превосходной коррозионной стойкостью, особенно к морской воде, органическим кислотам, щелочам, солям и многим неорганическим соединениям, что обеспечивает напечатанным изделиям долгий срок службы в неблагоприятных окружающих условиях и агрессивных средах.

2. Высокая прочность и термостойкость

После 3D‑печати сталь этой марки в целом сохраняет высокую прочность и твердость, обладает хорошей высокотемпературной прочностью и долговечностью, поэтому может использоваться в высокотемпературных средах.

3. Биосовместимость

316L не вызывает явных реакций отторжения при имплантации в организм человека в течение длительного времени, а также аллергии, в связи с чем ее широко применяют для создания медицинских имплантатов.

4. Превосходная эффективность 3D‑печати

Порошок 316L легко плавится, а его микроструктура после охлаждения и застывания получается однородной и плотной, что способствует обеспечению механических свойств и точности размеров напечатанных деталей.

5. Экологичность

Нержавеющая сталь 316L отвечает концепции устойчивого развития современной промышленности: она производит мало отходов в процессе производства и использования.

Сферы применения

1. Аэрокосмическая промышленность

316L может использоваться для изготовления сложных легких изделий в авиационно-космической отрасли, таких как полые кронштейны, сетчатые каркасы и трубы камеры сгорания. Эти детали должны не только обладать отличной коррозионной стойкостью и высокой прочностью, но и выдерживать экстремальные температуры и высокое давление.

2. Автомобилестроение

Благодаря своей высокой прочности и антикоррозионным свойствам этот материал применяется в автомобильном производстве для печати сложных деталей, таких как корпуса турбокомпрессоров, компоненты выхлопной системы и тормозов.

3. Медицинские изделия

В медицине нержавеющая сталь 316L широко используется для производства имплантатов и хирургических инструментов. Ее превосходная биосовместимость и коррозионная стойкость делают ее идеальным выбором для изготовления индивидуальных имплантатов, таких как костные пластины, костные гвозди и тазобедренные суставы.

4. Промышленный сектор

В промышленности материал подходит для изготовления высокоточных пресс‑форм и химического оборудования. Например, при проектировании под 3D‑печать форм для литья под давлением можно предусмотреть сложные каналы конформного охлаждения, что повышает эффективность производства и продлевает срок службы форм. А за счет стойкости к коррозии сплав годится для производства прочных труб, клапанов и компонентов реакторов, работающих в агрессивных химических средах.

Пример серийной SLM‑печати: 444 разъема для зарядного устройства напечатаны из 316L на установке HBD 400 за 26 часов – одна деталь за 3,5 минуты!

Процессы производства 316L аддитивными методами

3D‑печать сталью 316L возможна с применением различных типов аддитивных технологий, среди них:

1. SLM/LPBF – селективное лазерное плавление металлических порошков;

2. Binder Jetting – струйная печать связующим веществом;

3. FDM – послойное наплавление пластиковой нити (в данном случае филамент примерно на 80 % состоит из металла и на 20 % из пластика);

4. EBM – электронно-лучевая плавка;

5. WAAM – печать металлической проволокой с использованием метода дуговой сварки.

SLM‑технология

Селективное лазерное плавление – самая распространенная технология 3D‑печати металлами (на нее приходится около 80 % рынка металлических 3D‑принтеров), а также широко используемый метод печати нержавеющей сталью 316L. Именно на SLM‑печати мы сфокусируемся в нашей статье.

В SLM‑машинах используются мощные лазеры, выборочно расплавляющие металлический порошок в заранее сформированном слое. Процесс построения заключается в послойном формировании цельной модели.

При выборе SLM‑принтера, в зависимости от ваших задач, обращайте внимание на мощность лазера, диаметр лазерного луча, скорость сканирования, толщину слоя (от 20 до 120 мкм), стратегию охлаждения деталей и другие характеристики, которые отличают продукты разных производителей и модели одного бренда. Поверхность выращенной в принтере детали получается достаточно шероховатой, и ей может потребоваться механическая постобработка (к примеру, фрезерование, шлифование, полировка, пескоструйная обработка, электроэрозия и пр.).

3D‑печать нержавеющей сталью 316L дает возможность быстро изготавливать функциональные прототипы для тестирования, используя тот же материал, который требуется для изготовления конечной детали. Стоимость печати такой крыльчатки насоса – около 70 долларов за деталь. Это гораздо меньше, чем изготовление прототипов на станках с ЧПУ, и позволяет существенно сэкономить средства, когда требуется несколько итераций прототипа © Desktop Metal

Характеристики порошка

Рассмотрим состав и свойства металлического порошка 316L от китайского производителя HBD, одного из лидеров рынка SLM‑печати. Компания разрабатывает и выпускает как широкую линейку аддитивных установок, так и расходные материалы к ним.

Химический состав

Дисперсность порошка: 15‑53 мкм

Размер гранул по результатам испытаний:

• D10 = 18,4 мкм

• D50 = 31,1 мкм

• D90 = 51,4 мкм

Стандарт на методы испытаний: GB/T19077

Сферичность гранул

Механические свойства

Стандарты на методы испытаний: GB/T 228.1‑2015, GB/T 230.1‑2018
Термообработка при 800 °С в течение 2 часов, охлаждение в печи

Эксплуатационные свойства детали

• Плотность*: ~7.9 г/см³

• Плотность (металлографический метод)*: >99,9 %

• Шероховатость поверхности Ra (после пескоструйной обработки)**: ≧6 мкм

Стандарты на методы испытаний: *GB/T 3850‑2015, **GB/T 40389‑2021

А теперь посмотрим, какие выгоды дает на практике печать этим материалом в такой популярной сфере, как автомобильное производство.

Применение 316L в компонентах автомобильных двигателей

В современной автомобильной промышленности выбор материалов, отвечающих строгим техническим требованиям, играет первостепенную роль в успешном производстве компонентов двигателя. Требования, которые предъявляются к материалам для двигателей, разносторонни и строги, они диктуют необходимость таких свойств, как исключительная износостойкость, высокотемпературные характеристики, коррозионная стойкость и механическая прочность.

Аустенитная нержавеющая сталь 316L – наиболее предпочтительный материал для компонентов автомобильных двигателей благодаря уникальному сочетанию свойств. В частности, аустенитная микроструктура способствует замечательной пластичности и свариваемости, что позволяет создавать сложные конструкции, имеющие решающее значение для повышения эффективности компонентов.

Высокое содержание хрома и никеля в 316L обеспечивает превосходную устойчивость к точечной коррозии, вызванной хлоридами, и это важнейшее преимущество, учитывая химически агрессивную среду, характерную для двигателей. Благодаря такой стойкости изделия обладают продолжительным ресурсом работы и надежностью, что является решающим фактором в увеличении срока службы автомобильных компонентов.

Жаропрочность нержавеющей стали 316L – ключевой фактор, когда речь идет об устойчивости к повышенным температурам, возникающим в процессе работы двигателя. Способность материала выдерживать экстремальные тепловые циклические нагрузки без нарушения структурной целостности играет важную роль в сохранении работоспособности в сложных условиях.

Кроме того, отличная обрабатываемость 316L предполагает сложную детализацию и прецизионную обработку, в результате чего получаются высококачественные кастомизированные компоненты. Совместимость сплава с различными видами обработки поверхности и покрытиями повышает визуальную привлекательность и функциональные характеристики деталей двигателя, удовлетворяя как техническим требованиям, так и эстетической стороне дизайна.

За счет своей стабильности материал подходит для производства деталей, контактирующих с жидкостями и газами в системе двигателя. Эта характеристика гарантирует, что компоненты автомобильного двигателя, изготовленные из 316L, сохраняют чистоту и предотвращают загрязнение основных жидкостей, способствуя общей надежности и безопасности автомобиля.

Образцы автокомпонентов из 316L

Далее, немагнитность нержавеющей стали 316L является преимуществом для некоторых сценариев применения в автомобилестроении, когда магнитные помехи должны быть сведены к минимуму. В чувствительных системах датчиков или электронных компонентах двигателей использование немагнитных материалов, таких как 316L, помогает сохранить целостность сигнала и предотвратить помехи, обеспечивая точность работы и передачи данных.

Традиционное производство компонентов автомобильных двигателей с использованием 316L часто сталкивается с такими проблемами, как высокая стоимость и длительные производственные циклы. Однако технология 3D‑печати металлами эффективно решает эти проблемы.

SLM‑технология коренным образом меняет производственный ландшафт, предлагая возможности, выходящие за рамки традиционных методов. Точный контроль над нанесением материала позволяет создавать сложные геометрические формы с меньшим количеством отходов материала, что повышает эффективность использования ресурсов и устойчивость производства автомобильных компонентов.

Применение 3D‑печати металлом также повышает долговечность и прочность деталей. При использовании классических методов детали могут иметь слабые места или зоны напряжения, что приводит к повреждениям или поломкам. Селективное лазерное плавление позволяет создавать детали с однородной прочностью и долговечностью, снижая вероятность возникновения дефектов или повреждений.

Используя преимущества нержавеющей стали 316L, и новаторский потенциал аддитивного производства, производители могут открыть новые возможности для изготовления сложных деталей и оптимизации их характеристик.

С развитием технологии 3D‑печати сценарии применения нержавеющей стали 316L будут расширяться, и это откроет путь для создания более эффективных, точных и инновационных решений для различных отраслей промышленности.

Статья опубликована 28.03.2025 , обновлена 28.03.2025