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CIMT2021部分增材制造机床展品评述
Aug 9, 2021  来源:CIMT2021特种加工机床评述专家组  作者:吴国兴
      2020年全球增材制造(3D打印)机床行业仍保持了正增长势头,金属3D打印领域在2020年产生了16亿美元的收入,预计到2030年将增长到317.8亿美元,10年总体复合增长率为35%。目前我国的工业级增材制造机床,无论是机床的拥有量,还是与之相关的产值,都超过了全球总量的三分之一。中国增材制造产业连续多年增速保持在20%以上。

      展望2021年的增材制造市场,工业级增材制造机床的价位细分市场中,金属粘结剂喷射3D打印机以及设计级和专业级价位中的复合3D打印机,均是最值得关注的。从长远来看,专注于批量生产的金属和塑料3D打印机将引领3D打印行业的发展。预计2021年工业3D打印系统的出货收入将稳定增长15%。
 
      1. 金属增材制造机床及增减材复合机床

      本届展会延续了上届以金属3D打印机床为主的特点,并出现了更多增减材复合技术及机床产品。本次展出的3D打印机床,虽不一定是最新款,但在技术上均有所提升,设备性能和功能更加完善。

      瑞士GF加工方案与全球最大的3D打印公司——美国3D Systems公司继续联手,进一步完善了增材制造全面解决方案,提出了端到端的金属增材制造工作流程。方案中包括增材加工机床、电火花加工机床和激光表面纹理加工机床,以及铣削加工中心和主轴,还有工装夹具、自动化及软件系统,由此有效提升了增材制造能力和竞争力。本届展出的金属3D打印机DMP Flex 350(见图1),依托3D Systems公司的直接金属打印(DMP)专利技术,最大成形尺寸为275mm×275mm×420mm,配备500W(或450W)光纤激光器;成形室抽真空至10-1 Pa,使用先进的保护气体气流技术,可制造高致密度与高纯净度的零件;激光窗口处有特殊设计的进气口,可长时间保持窗口清洁,较长时保持成形室氧的体积分数<0.025‰;激光窗口两侧有可见光和红外摄像头,对预埋零件定位测量,实现修复或连续打印;采用功能完善的3DXpert软件、LaserForm材料、真空环境及智能粉料管理系统,可实现如Inconel合金、钛合金、钴铬合金、铝、钢等金属材料的增材制造。该公司的CUT AM 500电火花线切割机床,是独特的分离增材制造工件专用机床。将该机床与DMP机床联结起来,可保持工件完整,适用于自动化生产,降低运行成本;采用快速切分工艺,能够可靠切分有特殊支撑结构和含有残余粉末的工件;采用倾斜工作台及双丝轴,分离速度快,精度高;采用水平切割细径钼丝,工件在切分加工时保持基准精度及质量,确保工件的工艺完整性。
 
  
图1  DMP Flex 350型金属3D打印机床及成形室

      日本沙迪克公司展出的金属3D打印机LPM325,采用激光选区熔化(SLM)技术实现3D打印,在不改变设置的情况下,进行基准面的加工;通过缩小造型室的体积、优化烟雾回收方法,提高了造型速度;标配了粉末吸收装置,改善了成形室内的粉末处理流程;配置了专用的数控系统和CAM软件,可在不改变设置的情况下加工所打印零件的基准面。同时,可与开发的新型NC装置(RM4RP)联结,具有统一的操作环境,可轻松完成增减材加工的转换。

      DMG MORI公司展出的LASERTEC 30 SLM 3D打印机床,可进行多功能的复杂工件、随形内冷道工件、拓扑结构优化的部件等的3D打印。采用封闭式粉料循环系统及新型rePLUG可拆式粉料模块,利于提高成形质量,避免换粉污染;采用统一的解决方案CELOS(CAD编程→机床控制),操作/编程简单方便。另一机型LASERTEC 30DUAL SLM的不同在于采用2×600W双激光系统,提高生产力达80%;采用高精度光学模块,扫描场100%重叠,调整光斑直径(50-300µm);采用新的持续过滤系统,过滤器使用寿命>3000小时,钝化了金属粉尘,显著提高了安全性。

      德国Precision Surfacing Solutions公司的millGrind BL10磨床,是一台增减材复合机床,以磨床为主,复合了激光熔覆和磨削、铣削加工,用于涡轮叶片的加工及磨损叶片的修复。该机床可以检测叶片的磨损区域,根据检测结果进行激光熔覆、铣削和磨削加工。

      中国航空制造技术研究院早在上世纪90年代中期,就与清华大学等单位合作,开展了激光选区熔化(SLM)和电子束选区熔化(EBM)技术与设备的研究。它依托超大型真空电子焊装备的技术优势,首次推出了EBM机床和SLM机床,引起了广泛关注。这些机型最大的特点是超大的打印空间,EBM机床的最大成形件尺寸360mm×360mm×500mm,SLM机床的最大成形件尺寸≥810mm×450mm×730mm。EBM机床的真空环境可有效避免杂质元素混入,使零件保持良好的组成,适用于多种合金;采用可快速更换的成形仓和供粉仓,以及粉末管理系统,减少了辅助时间的消耗;成形温度高,可有效减小应力与变形,提高成形精度;扫描速度快(1000m/s),电子束流范围大(0-100mA),能量利用率高,成形效率高。SLM机床利用高亮度激光,扫描振镜的最高扫描速度达10m/s;采用高精密铺粉,层厚范围可调(20-50µm),可保证工件的成形精度;特别是可保持舱室的气氛不变,气氛的氧体积分数≤1‰,加工材料的种类包括钛合金、不锈钢、铝合金及碳钢等。

      大族激光智能装备集团采用SLM技术,推出了HANS-M-1001机床(见图2),适用于齿科、骨科、科研、教学等,可提供齿科医疗专用开放参数,可获得医疗镂空结构;采用氮气/氩气保护,成形速度快,达120颗牙齿/5小时;采用下送粉供粉方式,可选配柔性或刚性刮刀系统;采用Profinet总线控制,可通过远程云平台及APP监控。


  
图2  HANS-M-1001型SLM 3D打印机床


      湖南云箭集团采用SLM技术,推出了VM 280型3D打印机(见图3),适用于不锈钢、钛合金、铝合金、镍基合金等。它采用双向铺粉,提高铺粉效率,缩短打印时间;采用可变光斑,变化范围为65-150 µm,使得成形更加高效;采用上落粉结构,可持续加粉,实现大型零件不间断打印;采用三重过滤,降低烟尘,延长过滤系统寿命;采用全新风场,确保打印质量。

 
图3  VM 280型SLM3D打印机床
 
      本届展会有多家3D打印产品的代理公司前来参展。例如,东莞宝力机械有限公司代理了德国EOS公司的选区激光烧结(SLS)机床、美国HP公司的多射流熔融(MJF)机床等。香港力丰机械有限公司除了同样代理美国HP的MJF机床外,还代理了美国3D Systems公司的多喷头塑料3D打印机ProJet MJP2500、彩色手板3D打印机ProJet CJP360等,美国Markforged公司的Metal X7金属3D打印机(采用其特有的原子扩散增材制造ADAM技术)、工业级尼龙/碳纤维3D打印机X3和X5等,波兰Sinterit公司的桌面级SLS3D打印机Lisa1等。深圳马路科技有限公司代理了美国3D Systems公司的DMP Factory及3DXpert金属3D打印机、ProJet MJP2500等。

      2. 非金属增材制造机床 

      广州形优科技有限公司展出了多款非金属材料增材制造机床,包括美国Stratasys公司的FDM 3D打印机Fortus系列、POLYJET光固化3D打印机Objet系列等,美国Formlabs公司的光固化3D打印机Form 3/3L系列,美国Markerbot公司的methodX尼龙/碳纤维3D打印机等。这些设备可实现热塑性塑料、碳纤维增强尼龙材料的增材制造。 

      美国Stratasys公司的FDM 3D打印机Fortus 380mc(见图4),主要特点包括:操作环境洁净、安全,材料无毒,材料利用率高,可选材料多,可以在办公室、家庭环境下进行,没有产生毒气和化学污染的危险;可使用工程塑料构建坚固耐用的零部件,如Diran 410MF07尼龙系列工程级热塑塑料等;本系列产品的分层厚度为0.330/0.254/0.178/0.127mm(可选),精度为0.04-0.07 mm;采用优化的支撑结构和可溶性支撑材料,易于去除支撑。可用的高性能打印材料种类较多,包括基础材料(ABS-M30、ABS-M30i、BS-ESD7、ASA)、工程材料(PC、PC-ISO、PC-ABS、Nylon12、Antero 800NA)及高端材料(Ultem9085、Ultem1010、Nylon12CF、ST-130)。

      该公司的Poly Jet3D打印机采用Poly Jet聚合物喷射光固化工艺,使用Poly Jet聚合物,可同时混合多种基础成型材料,支持全彩色打印;成型模型质量高,最薄层厚为14µm,确保获得表面质量高、细节表现好的部件和模型;精度高,精密喷射与材料性能可保证细节精细;环保清洁:适合办公室环境使用,树脂盒方便更换,支撑容易去除,喷头可单独更换;多用途:材料品种多样,可适用于不同几何形状/机械性能及颜色的部件,数字材料约15万种颜色,可同时提供为眼镜定制、医疗领域及个性化定制需求强烈的行业开发的专用材料。

      美国Makerbot公司的尼龙/碳纤维3D打印机METHOD X,通过推出Method Carbon Fiber Editions进入了3D打印的新阶段,能够为制造工具、夹具和固定装置打印更坚固、更精确的尼龙/碳纤维零件,并且在某些应用中可用于制造金属替换零件;零件表面粗糙度有所提升,特别是与新的加热室退火功能相结合时,效果更佳;用户可借助可溶性或分离式支撑结构,打印出具有复杂几何形状的零件,表面粗糙度得到改善;采用不同配比的尼龙碳纤维复合材料,主要面向汽车、航空等行业,打印轻量化的金属零件替代品,其良好的热性能和机械性能也带来了较高的成本效益;相比竞品的改性ABS配方,MakerBot的材料硬度高26%、强度高12%,而且耐高温能力也提升了15℃;由于支持双挤出头,METHOD X ABS可以与Stratasys公司的可溶性支撑材料SR-30同时进行3D打印,获得更佳的支撑效果(见图5)。


  
图4  Fortus 380mc型FDM 3D打印机床

 
图5  MethodX型尼龙/碳纤维3D打印机床


      湖南云箭集团采用SLS技术,推出了VS-DP系列3D打印机,成形材料包括覆膜砂、PP、PS等高分子材料。此机床主要特点有:一机多材,材料利用率>90%;专为精密定制化铸件的制造设计,达到高精度成形;成形尺寸大,专为小批量定制化铸件设计;多区温控,设备的温度场更加均匀;全自动真空定量送粉,智能化按需供粉。
 
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