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】近年来,增材制造机床保持了快速发展的势头。在2014-2018年间,全球增材制造行业的年均增长率达32.4%。据估计,2019年工业级增材制造机床的出货量可增长18%,2020年全球增材制造市场总值将达205亿美元,到2020年出货总量将超过670万台,至2023年增材制造产业的市场规模预测值为350亿美元。

1. 金属增材制造机床

cimt2019展会期间,全球增材制造的企业美国3dsystems公司展示了金属增材制造技术及其全套装备,体现了该公司在2016年9月宣布的全面新战略的意图,即通过将增材制造系统纳入工厂基础设施,创建硬件和软件,使各大制造业公司能够将增材制造实施到工作流程中,从而将本公司从原型制造专家发展成为加工生产的领导者。3d systems公司还与瑞士gf加工方案合作推出了基于金属增材制造的零部件加工一站式的解决方案(图1),该集成解决方案将为工厂自动化提供包括用于增强型零件设计、增材制造机床、材料和材料自动化处理、放电加工(edm)、铣削设备和先进后处理技术在内的各种软件,这些新的设计和制造选项可直接帮助改善现有的产品、新的设计、新的业务模式和新的市场。其中,flex 350金属增材制造机床是上述工业生产一站式解决方案的核心设备,采用,层厚可调,保证了成形件的精度;可加工最大尺寸达275 mm×275 mm×380 mm的金属零件,所使用的金属粉末最小粒径为5μm,x、y、z三轴的重复精度达20μm。应用领域包括航空航天、发动机/组件制造、医疗(骨科植入物、齿科、整形外科等)、工中的随形冷却镶件、珠宝和首饰业等。

图1 瑞士+gf+公司与美国3d systems公司联合展台

英国雷尼绍公司展示了专用于工业生产的renam 500q多激光增材制造机床(图2)。该机床配有4个500w大功率掺镱光纤,每束激光均可同时覆盖整个粉末床表面,极大地提高了加工效率;自主开发的具有动态聚焦功能的光学系统更利于聚焦和引导激光束,使得整个工艺流程更加紧凑;自动化粉末和废料处理系统有助于实现工艺品质的一致性,减少人机交互时间并确保高标准的系统安全性;数控系统及专用的quantam加工文件处理软件与雷尼绍infiniam过程规划和监控软件完全兼容,可更加紧密地集成到机床控制软件中,并充分发掘增材制造的优势。近年来,雷尼绍公司还开发了各种专用的医疗增材制造设备,如口腔科和齿科用增材制造机床,用于颌面、颅骨和各种骨骼修复的增材制造机床等。

图2 renam 500q多激光增材制造机床

西安铂力特增材技术股份有限公司展出的blt-s310型金属增材制造机床(图3),采用500w激光器,其粉末床的铺粉方式为单/双向铺粉,分层厚度为30-60μm,粉末预热温度范围为rt+20°c -200°c,激光扫描速度为0-2 m/s(可调);其成形件尺寸为250 mm×250 mm×400 mm(w×d×h)、工作氧含量≤100 ppm、工作湿度≤75%;可用材料包括钛合金、铝合金、高温合金、钴铬合金、不锈钢、高强钢、模具钢,配套软件包括magics、bp以及自行开发的blt-mcs。

图3 blt-s310型激光增材制造机床

从本届展会的情况看,金属增减材复合机床受到了人们的重视。日本沙迪克公司为了满足人们对金属增材制造机床的多样化需求,推出了lpm 325金属增减材复合机床(图4)。该机床通过金属粉末的熔融和凝固进行零件的增材制造,并由同一台机器对零件进行基准面加工,虽然仅限于处理金属3d成形和参考面加工的功能,但是为后续的减材制造打好了基础。目前lpm325金属增减材制造机床有标准型和mrs型两种机型,其最大成形件尺寸为250 mm×250 mm×250 mm。

图4 lpm 325激光增减材复合机床图

德马吉森精机公司展出的lasertec 30 slm金属增减材复合机床(图5),先利用激光选区熔化(slm)技术堆积零件的局部结构,再采用高速铣削对刚成形的局部结构进行切削加工,可直接获得尺寸精度及表面光洁度都很高的金属零件。该机床可在一台机床上同时完成增材制造和铣削精加工,采用了粉床式的供粉方式,可随意组合不同材料,可加工多种材质的镂空结构、蜂窝结构和内嵌结构;其粉床成形区尺寸为300 mm×300 mm×300 mm,层厚在20-200μm之间,打印速度是同类设备的10倍。

图5 lasertec 30 slm增减材复合机床

北京北一机床股份有限公司展出的xkr40-hybrid增减材复合机床,是在技术成熟的xkr40五轴加工中心基础上增加了激光增材制造单元,实现集增材和减材于一体的复合功能(图6)。该复合机床的光纤激光器的功率为4.5kw,其增材制造单元采用激光熔覆头及随动的送粉头,加工工具库设置于成形室的后方,激光增材制造单元可实现三轴直线移动,可完成具有复杂空间曲面形状零件的增减材加工和修复,也可实现由多种材料构成的零件的制造,能广泛应用于航空航天、机械制造、交通运输等行业。

图6 北一机床公司xkr40-hybrid激光增减材复合机床

2. 非金属增材制造机床

陶瓷(或陶瓷/金属双用)增材制造机床是展会的亮点之一。比如,荷兰admatec公司展出了基于数字光处理(dlp)技术的admaflex 130型陶瓷/金属双用增材制造机床(图7)。该机床的打印层厚范围为15-100μm、打印表面粗糙度ra<1μm、与cad模型的误差<0.3%;打印完成的零件经过脱脂烧结后会有30%的收缩量,零件的致密度可与陶瓷粉末注射成形(cim)零件和金属粉末注射成形(mim)零件相媲美,陶瓷零件致密度达98.5%以上、金属零件致密度达96%以上;机床的适用材料包括al2o3、zro2、sio2、316l不锈钢、17-4ph不锈钢、inconel 625合金。

图7 dlp admaflex 130型陶瓷/金属双用增材制造机床

武汉华科三维科技有限公司将sls和slm工艺相结合,推出了可同时打印非金属材料和金属材料的hk pm250工业级增材制造机床(图8)。该机床采用“光纤激光器+co2激光器”的双激光复合扫描系统,具有一套预热、熔化和光整的工艺,能在一台设备同时完成金属和非金属的复合成形;可根据零件功能和设计需求,针对指定区域粉末进行吸取和定量喷送,精确控制在零件的不同部位打印非金属或者金属粉末;使用精密双导轨自转式铺粉技术,解决了slm工艺对铺粉系统高平面度、高效率要求的难题,铺粉平面度误差小于0.02 mm、零件成形精度达到(100±0.1)mm;提出了零件特征自识别及自适应扫描填充生成技术,开发了sls/slm设备的模型数据预处理软件系统,实现了不同特征大面积成形自适应扫描,解决了大尺寸复杂零件加工精度难以保证、加工效率不高的问题。

图8 陶瓷/金属增材制造机床hk pm250

美国3d systems公司推出的figure 4 tm工厂解决方案,是数台甚至数十台并行的3d打印机,使用可扩展、模块化的高速数字成形解决方案进行零部件的3d打印生产。figure 4tm采用高速数字成形,加速和简化塑料件的生产,结合了服务、技术、材料和软件,致力于革新生产型企业的生产环境,可帮助客户无障碍地从原型制造转向零部件的生产。其中,figure 4tm production是可直接进行3d打印生产的可扩展、全集成工厂解决方案,通过可分离的模块化解决方案实现了在自动化组装型生产线上超快速的增材制造生产技术,并且能与清洗、干燥与固化等后道工艺流程集成,打印速度可提高15倍,能降低20%的零部件制作成本,且无需浪费时间和成本制作工模具;figure 4 tm standalone使用一台至数台3d打印机,适合于小批量的零部件生产,属于经济紧凑型的工业级解决方案,具有工业级的耐用性,能为用户提供高质量和精度的零部件,每月可生产数十件至数百件零部件。3d systems公司新推出的figure 4 modular是可升级的生产解决方案,可随着生产规模的增长来扩展设备(图9)。

图9 3d systems公司figure 4modular

另外,美国3d systems公司还展出了光固化增材制造机床及生产方案、珠宝行业熔模铸造方案、3d软件等系列产品,如高解析度3d打印系统projet mjp3600系列、立体光固化增材制造机床prox®950 sla、桌面型的cubepro机床(可3种颜色同时打印)及projet1500机床(可打印6种颜色的材料)等。

作者:cimt 2019特种加工机床评述专家组成员:吴国兴(组长) 叶军 肖荣诗 林峰卢智良 徐均良 郭建梅 张宝华 伏金娟 山昌祝 张人佶 张景泉 王应 王晓娟

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