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CIMT2021部分增材制造（3D打印）机床展品评述
【编者按】第十七届中国国际机床展览会（CIMT2021）期间，中国机床工具工业协会特种加工机床分会和中国机械工程学会特种加工分会组成特种加工机床评述专家组，通过对参展特种加工机床的现场观摩、收集资料以及与参展厂商的交流座谈，对境内外电加工机床、激光加工机床、增材制造机床的技术特点及发展趋势进行了比较深入和系统的评述，并对特种加工机床的应用与市场发展进行了分析。此前已经发布了部分电加工机床和激光加工机床展品评述，今天发布部分增材制造机床展品评述，谢谢关注。 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。 DMGMORI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。 展会基本信息： 名称：第十二届中国数控机床展览会（CCMT2022） 展期：2022年4月11-15日 地点：上海浦东 上海新国际博览中心 主办：中国机床工具工业协会 承办：中国机床工具工业协会 上海市国际展览有限公司 作者：CIMT2021特种加工机床评述专家组（吴国兴-组长、肖荣诗、林峰、伏金娟、张宝华、卢智良、张人佶、杜伟哲、李朝将、徐均良、王应、王晓娟） 责编：李华翔 |
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