CIMT2021部分增材制造機床展品評述
2021-8-9 來源：CIMT2021特種加工機床評述專家組 作者：吳國興
2020年全球增材制造（3D打印）機床行業仍保持了正增長勢頭，金屬3D打印領域在2020年產生了16億美元的收入，預計到2030年將增長到317.8億美元，10年總體復合增長率為35%。目前我國的工業級增材制造機床，無論是機床的擁有量，還是與之相關的產值，都超過了全球總量的三分之一。中國增材制造產業連續多年增速保持在20%以上。
展望2021年的增材制造市場，工業級增材制造機床的價位細分市場中，金屬粘結劑噴射3D打印機以及設計級和專業級價位中的復合3D打印機，均是最值得關注的。從長遠來看，專注于批量生產的金屬和塑料3D打印機將引領3D打印行業的發展。預計2021年工業3D打印系統的出貨收入將穩定增長15％。
1. 金屬增材制造機床及增減材復合機床
本屆展會延續了上屆以金屬3D打印機床為主的特點，并出現了更多增減材復合技術及機床產品。本次展出的3D打印機床，雖不一定是最新款，但在技術上均有所提升，設備性能和功能更加完善。
瑞士GF加工方案與全球最大的3D打印公司——美國3D Systems公司繼續聯手，進一步完善了增材制造全面解決方案，提出了端到端的金屬增材制造工作流程。方案中包括增材加工機床、電火花加工機床和激光表面紋理加工機床，以及銑削加工中心和主軸，還有工裝夾具、自動化及軟件系統，由此有效提升了增材制造能力和競爭力。本屆展出的金屬3D打印機DMP Flex 350（見圖1），依托3D Systems公司的直接金屬打印（DMP）專利技術，最大成形尺寸為275mm×275mm×420mm，配備500W（或450W）光纖激光器；成形室抽真空至10-1 Pa，使用先進的保護氣體氣流技術，可制造高致密度與高純凈度的零件；激光窗口處有特殊設計的進氣口，可長時間保持窗口清潔，較長時保持成形室氧的體積分數＜0.025‰；激光窗口兩側有可見光和紅外攝像頭，對預埋零件定位測量，實現修復或連續打印；采用功能完善的3DXpert軟件、LaserForm材料、真空環境及智能粉料管理系統，可實現如Inconel合金、鈦合金、鈷鉻合金、鋁、鋼等金屬材料的增材制造。該公司的CUT AM 500電火花線切割機床，是獨特的分離增材制造工件專用機床。將該機床與DMP機床聯結起來，可保持工件完整，適用于自動化生產，降低運行成本；采用快速切分工藝，能夠可靠切分有特殊支撐結構和含有殘余粉末的工件；采用傾斜工作臺及雙絲軸，分離速度快，精度高；采用水平切割細徑鉬絲，工件在切分加工時保持基準精度及質量，確保工件的工藝完整性。
圖1 DMP Flex 350型金屬3D打印機床及成形室
日本沙迪克公司展出的金屬3D打印機LPM325，采用激光選區熔化（SLM）技術實現3D打印，在不改變設置的情況下，進行基準面的加工；通過縮小造型室的體積、優化煙霧回收方法，提高了造型速度；標配了粉末吸收裝置，改善了成形室內的粉末處理流程；配置了專用的數控系統和CAM軟件，可在不改變設置的情況下加工所打印零件的基準面。同時，可與開發的新型NC裝置（RM4RP）聯結，具有統一的操作環境，可輕松完成增減材加工的轉換。
DMG MORI公司展出的LASERTEC 30 SLM 3D打印機床，可進行多功能的復雜工件、隨形內冷道工件、拓撲結構優化的部件等的3D打印。采用封閉式粉料循環系統及新型rePLUG可拆式粉料模塊，利于提高成形質量，避免換粉污染；采用統一的解決方案CELOS（CAD編程→機床控制），操作/編程簡單方便。另一機型LASERTEC 30DUAL SLM的不同在于采用2×600W雙激光系統，提高生產力達80%；采用高精度光學模塊，掃描場100%重疊，調整光斑直徑（50-300µm）；采用新的持續過濾系統，過濾器使用壽命>3000小時，鈍化了金屬粉塵，顯著提高了安全性。
德國Precision Surfacing Solutions公司的millGrind BL10磨床，是一臺增減材復合機床，以磨床為主，復合了激光熔覆和磨削、銑削加工，用于渦輪葉片的加工及磨損葉片的修復。該機床可以檢測葉片的磨損區域，根據檢測結果進行激光熔覆、銑削和磨削加工。
中國航空制造技術研究院早在上世紀90年代中期，就與清華大學等單位合作，開展了激光選區熔化（SLM）和電子束選區熔化（EBM）技術與設備的研究。它依托超大型真空電子焊裝備的技術優勢，首次推出了EBM機床和SLM機床，引起了廣泛關注。這些機型最大的特點是超大的打印空間，EBM機床的最大成形件尺寸360mm×360mm×500mm，SLM機床的最大成形件尺寸≥810mm×450mm×730mm。EBM機床的真空環境可有效避免雜質元素混入，使零件保持良好的組成，適用于多種合金；采用可快速更換的成形倉和供粉倉，以及粉末管理系統，減少了輔助時間的消耗；成形溫度高，可有效減小應力與變形，提高成形精度；掃描速度快（1000m/s），電子束流范圍大（0-100mA），能量利用率高，成形效率高。SLM機床利用高亮度激光，掃描振鏡的最高掃描速度達10m/s；采用高精密鋪粉，層厚范圍可調（20-50µm），可保證工件的成形精度；特別是可保持艙室的氣氛不變，氣氛的氧體積分數≤1‰，加工材料的種類包括鈦合金、不銹鋼、鋁合金及碳鋼等。
大族激光智能裝備集團采用SLM技術，推出了HANS-M-1001機床（見圖2），適用于齒科、骨科、科研、教學等，可提供齒科醫療專用開放參數，可獲得醫療鏤空結構；采用氮氣/氬氣保護，成形速度快，達120顆牙齒/5小時；采用下送粉供粉方式，可選配柔性或剛性刮刀系統；采用Profinet總線控制，可通過遠程云平臺及APP監控。
圖2 HANS-M-1001型SLM 3D打印機床
湖南云箭集團采用SLM技術，推出了VM 280型3D打印機（見圖3），適用于不銹鋼、鈦合金、鋁合金、鎳基合金等。它采用雙向鋪粉，提高鋪粉效率，縮短打印時間；采用可變光斑，變化范圍為65-150 µm，使得成形更加高效；采用上落粉結構，可持續加粉，實現大型零件不間斷打印；采用三重過濾，降低煙塵，延長過濾系統壽命；采用全新風場，確保打印質量。
圖3 VM 280型SLM3D打印機床
本屆展會有多家3D打印產品的代理公司前來參展。例如，東莞寶力機械有限公司代理了德國EOS公司的選區激光燒結（SLS）機床、美國HP公司的多射流熔融（MJF）機床等。香港力豐機械有限公司除了同樣代理美國HP的MJF機床外，還代理了美國3D Systems公司的多噴頭塑料3D打印機ProJet MJP2500、彩色手板3D打印機ProJet CJP360等，美國Markforged公司的Metal X7金屬3D打印機（采用其特有的原子擴散增材制造ADAM技術）、工業級尼龍/碳纖維3D打印機X3和X5等，波蘭Sinterit公司的桌面級SLS3D打印機Lisa1等。深圳馬路科技有限公司代理了美國3D Systems公司的DMP Factory及3DXpert金屬3D打印機、ProJet MJP2500等。
2. 非金屬增材制造機床
廣州形優科技有限公司展出了多款非金屬材料增材制造機床，包括美國Stratasys公司的FDM 3D打印機Fortus系列、POLYJET光固化3D打印機Objet系列等，美國Formlabs公司的光固化3D打印機Form 3/3L系列，美國Markerbot公司的methodX尼龍/碳纖維3D打印機等。這些設備可實現熱塑性塑料、碳纖維增強尼龍材料的增材制造。
美國Stratasys公司的FDM 3D打印機Fortus 380mc（見圖4），主要特點包括：操作環境潔凈、安全，材料無毒，材料利用率高，可選材料多，可以在辦公室、家庭環境下進行，沒有產生毒氣和化學污染的危險；可使用工程塑料構建堅固耐用的零部件，如Diran 410MF07尼龍系列工程級熱塑塑料等；本系列產品的分層厚度為0.330/0.254/0.178/0.127mm（可選），精度為0.04-0.07 mm；采用優化的支撐結構和可溶性支撐材料，易于去除支撐。可用的高性能打印材料種類較多，包括基礎材料（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）。
該公司的Poly Jet3D打印機采用Poly Jet聚合物噴射光固化工藝，使用Poly Jet聚合物，可同時混合多種基礎成型材料，支持全彩色打印；成型模型質量高，最薄層厚為14µm，確保獲得表面質量高、細節表現好的部件和模型；精度高，精密噴射與材料性能可保證細節精細；環保清潔：適合辦公室環境使用，樹脂盒方便更換，支撐容易去除，噴頭可單獨更換；多用途：材料品種多樣，可適用于不同幾何形狀/機械性能及顏色的部件，數字材料約15萬種顏色，可同時提供為眼鏡定制、醫療領域及個性化定制需求強烈的行業開發的專用材料。
美國Makerbot公司的尼龍/碳纖維3D打印機METHOD X，通過推出Method Carbon Fiber Editions進入了3D打印的新階段，能夠為制造工具、夾具和固定裝置打印更堅固、更精確的尼龍/碳纖維零件，并且在某些應用中可用于制造金屬替換零件；零件表面粗糙度有所提升，特別是與新的加熱室退火功能相結合時，效果更佳；用戶可借助可溶性或分離式支撐結構，打印出具有復雜幾何形狀的零件，表面粗糙度得到改善；采用不同配比的尼龍碳纖維復合材料，主要面向汽車、航空等行業，打印輕量化的金屬零件替代品，其良好的熱性能和機械性能也帶來了較高的成本效益；相比競品的改性ABS配方，MakerBot的材料硬度高26%、強度高12%，而且耐高溫能力也提升了15℃；由于支持雙擠出頭，METHOD X ABS可以與Stratasys公司的可溶性支撐材料SR-30同時進行3D打印，獲得更佳的支撐效果（見圖5）。
圖4 Fortus 380mc型FDM 3D打印機床
圖5 MethodX型尼龍/碳纖維3D打印機床
湖南云箭集團采用SLS技術，推出了VS-DP系列3D打印機，成形材料包括覆膜砂、PP、PS等高分子材料。此機床主要特點有：一機多材，材料利用率>90%；專為精密定制化鑄件的制造設計，達到高精度成形；成形尺寸大，專為小批量定制化鑄件設計；多區溫控，設備的溫度場更加均勻；全自動真空定量送粉，智能化按需供粉。
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