【機床商務網欄目 產品評測】通過對第十七屆中國國際機床展覽會(CIMT 2021)參展特種加工機床的現場觀摩、資料收集以及與參展廠商的交流座談，對國內外電加工機床、激光加工機床、增材制造機床的技術特點及發展趨勢進行了比較深入和系統的評述，并對特種加工機床的應用與市場發展進行了分析。
 

　　02
 

　　激光加工機床
 

　　本屆展會共匯聚了國內外20多家激光加工企業參展。國內方面有深圳大族激光科技產業集團股份有限公司、奔騰激光(溫州)有限公司、江蘇亞威機床股份有限公司、江蘇揚力數控機床有限公司、東莞市力星激光科技有限公司、武漢華工激光工程有限責任公司、廣東宏石激光技術股份有限公司、深圳迪能激光科技有限公司、北京珊達激光科技發展有限責任公司、蘇州領創激光科技有限公司、濟南邦德激光股份有限公司、濟南金威刻科技發展有限公司、蘇州瑞鐵機床股份有限公司等；國外方面有德國德馬吉公司(DMG)、德國普雷茨特精密技術有限公司(Precitec)、德國埃馬克集團(EMAG)、意大利博栗瑪貿易有限公司(BLM)、日本三菱電機自動化有限公司、日本遠州株式會社等。
 

　　參展的激光加工設備主要包括激光切割設備、超快激光精密加工設備、激光焊接設備及其他激光加工設備。其中展品中占比最大的激光切割設備普遍呈現出高功率、高效率、高質量、智能化、模塊化等特點，實現了對大厚板、高反射率材料的高效切割；激光精密加工設備普遍為納秒激光設備，參展的國內外企業展出了應用于精密超硬刀具加工的納秒超快激光精密加工設備，未有飛秒激光加工設備展出；激光焊接設備方面，國內企業推出了手持型激光焊接機，由于其靈活方便，操作簡單，大大提高了傳統手工焊的工作效率。
 

　　2.1   激光切割設備
 

　　本屆展會參展的激光切割設備相較于上一屆展會最突出的特點是高功率和智能化。激光切割設備普遍搭配了“萬瓦級”輸出功率的激光器，如大族激光智能裝備集團、奔騰激光(溫州)有限公司、蘇州領創激光科技有限公司、北京珊達激光科技發展有限責任公司等企業的激光切割設備均可搭配輸出功率為“20 kW級”的激光器。其中，濟南邦德激光股份有限公司展出的Dream3磁懸浮光纖激光切割機(圖23)，選配40 kW光纖激光器，切割碳鋼厚度可達100 mm、切割不銹鋼厚度可達200 mm。更高的激光輸出功率不僅可應用于更厚的板材切割，而且在切割相同厚度的板材時，還可保證切割質量和更快的切割速度，提高生產效率。隨著激光器功率的增大，設備可實現更高的切割速度，提高生產效率。多家企業采用了磁懸浮電機，其激光切割設備的動力性能和動態性能更加卓越。如江蘇亞威機床股份有限公司展出的HLS-2040磁懸浮光纖激光切割機(圖24)，X、Y軸最大加速度達到了2.5g；濟南邦德激光股份有限公司展出的Dream3磁懸浮光纖激光切割機同樣采用了磁懸浮電機，X、Y軸最大加速度更是達到了4g。
 

　　通過數控技術和AI技術，很多企業參展的激光切割設備實現了生產過程的智能化、自動化。大族激光智能裝備集團參展的SF系列雙平臺光纖激光切割機可選配智能制造模塊，分解加工過程，將各種變量數字化，從而精細化提升制造工藝和效率。在板材切割過程中使用AutoSplit智能裁剪板材，工序內自動分離工件和需倉庫回收的板材余料。和和機械有限公司展出的SLT-102-FIBER全自動化激光切管機，采用11軸數控，選配1~2 kW光纖激光器，可對不同材質的方管、圓管、異型管進行切割加工，并從自動背料架進料、材料自動校準、進料及傾轉、激光切割到自動下料，采用全自動化生產流程。日本三菱電機公司展出的ML4020GX-F60二維激光加工機采用了AI技術“Maisart”，可根據加工中的聲音和光對加工狀態進行AI判斷，自動調整加工條件，致力于實現“不停頓的加工”。德國普雷茨特公司此次參展推出了ProCutter Zoom2.0智能切割頭，應用PierceTec技術可提供快速優質穿孔，其內置傳感器可實時監控穿孔過程，并且會根據穿孔時的數據優化激光功率，傳感器檢測數據都能在APP上同步顯示，實時進行遠程控制，而穩定的穿孔質量和高效的穿孔作業使其在切割厚板時更具有優勢。
 

　　2.2   激光精密加工設備
 

　　激光精密加工設備，特別是超快激光加工設備在激光加工領域扮演著越來越重要的角色。德馬吉公司展出的LASERTEC 20linear精密刀具激光加工中心(圖25)，搭載532 nm納秒激光器非切削地加工PCD、CVD-D和CBN材質的切削刃、后角和斷屑器，激光加工可提高刀具使用壽命達2.5倍。高動態性能的五軸激光加工將刀坯切為刀片，切分速度高于線切割機床達10倍，生產效率的增加使金剛石刀具生產成本大大降低。聯合磨削集團(EWAG)展出的LASER LINE PRECISION高精度五軸激光燒蝕系統(圖26)，搭配最大輸出功率50 W的532 nm納秒短脈沖激光器以及一體化六軸機器人，能在一次裝夾的情況下完成對切削刃、空心型腔和斷屑臺以及激光打標的所有加工，該系統中的“LASEER LINE PRECISION”專為生產金剛石工具而設計，綠光波長范圍(532 nm)的集成短脈沖激光器可對金剛石材料進行特別有效的加工。
 

　　國內方面，北京市電加工研究所推出了LASER6120精密刀具激光刃磨機床(圖27)，可選配100 W納秒光纖激光器和60 W皮秒激光器，主要應用于PCD、CBN、陶瓷及硬質合金刀具的刃口加工和可轉位刀具容屑槽的加工。使用脈沖皮秒超短脈沖激光技術，材料直接被汽化蒸發，沒有顯著的熱量輸入，在加工時刀具刃口不會因為受熱而損壞，使用壽命顯著提高。
 

　　皮秒、飛秒激光等超短脈沖激光因具有極短的脈沖寬度和極高的峰值功率，可實現高精度的微/納加工，而且在加工過程中對工件無熱損傷，對于所加工的零件而言可獲得更長的使用壽命。可能受疫情影響以及上一屆展會的市場反饋，本屆展會沒有皮秒/飛秒激光加工設備的展出。參展設備普遍選擇納秒激光作為激光源，在滿足加工需求的條件下可降低設備成本。但隨著激光器生產工藝的逐漸成熟，超短脈沖激光器成本降低，皮秒/飛秒超短脈沖激光加工設備必然會成為激光精密加工設備的發展方向。
 

　　2.3   激光焊接設備
 

　　激光焊接技術一般搭配機床或焊接機器人進行自動化生產，但在一些室外現場進行焊接或者復雜位置的焊接，激光焊接由于設備體積問題并不適用。傳統電弧焊設備簡單，操作靈活方便，能進行全位置焊接適合焊接多種材料，其不足之處是勞動強度大、煙塵噪聲污染嚴重，而且對焊工技術水平要求較高。得益于光纖激光器的發展，激光器體積顯著減小，便于集成，本屆展會上大族激光智能裝備集團、廣東宏石激光技術股份有限公司、奔騰激光(溫州)有限公司等企業針對傳統電弧焊技術的不足之處，推出了手持式光纖激光焊接機。奔騰激光(溫州)有限公司展出的飛鴻SWAN-HW手持激光焊接機采用激光器水冷一體機設計移動輕便。手持焊接頭內置高精度振鏡電機，其中雙軸擺動焊接頭除了可應用于中薄板材的焊接，還具有激光切割、清洗功能。焊縫熱輸入量小、焊件變形小、表面質量好，焊接效率比傳統弧焊更高。廣東宏石激光技術股份有限公司展出的FMW系列手持式光纖激光焊接機，焊接頭同樣搭載WOBBLE擺動系統，其質量僅為0.8 kg，持久工作不易疲勞。目前手持式激光焊接機的功率都低于2 kW，適合于4 mm以下的不銹鋼、碳鋼的焊接。而在安全性方面，參展設備都具備多重安全防護措施，焊嘴只有在觸碰到金屬時觸動開關才有效，并且觸動開關帶有體溫感應，保證不會因為誤觸導致激光發射對人造成傷害。
 

　　2.4   其他激光加工設備
 

　　本次參展的多用途激光加工機和復合加工機與上一屆展會展出的設備基本一致。日本遠州株式會社生產的LBM10，是在各種激光加工專用機的構造基礎上采用最新理念制作的多用途機型，以小零部件的激光加工為主要應用方向，實現了最小的占地空間。與專用機必須從零開始相比較，通用激光加工機可在短時間以合理的成本構建完成激光加工體系統。本次參展的設備為LMB10通用激光加工機，搭載了2 kW半導體激光器，主要用于激光焊接、激光熔覆、激光淬火。
 

　　江蘇亞威機床股份有限公司展出了HPML30510沖割復合機，該機型可實現沖孔、成形、攻絲、激光切割、成品自動落料輸送等功能。當遇到不常用的特殊孔時，利用激光進行加工可節省模具費用和加快交貨期。例如，沖切很難實現的段差外周，使用激光后就可簡單實現。復合加工機在很好地降低生產成本的同時，還能幫助企業改善生產工藝、提高產品附加價值。
 

　　北京珊達激光科技發展有限責任公司此次展出了SD-5C-200光纖激光清洗機，可應用于金屬表面除銹、表面除漆脫漆處理、工件表面污漬污垢清洗、焊接/噴涂預處理等方面，實現無化學試劑、無介質、無塵、無水清洗。激光清洗表面潔凈度高，能清除納米級以下污染微粒。在清洗領域，激光清洗具有廣闊的發展前景。
 

　　03
 

　　增材制造(3D打印)機床
 

　　2020年全球增材制造業仍然保持了正增長的勢頭，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，都超過了世界的三分之一。中國增材制造產業連續多年增速維持在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的3D打印機將引領3D打印行業的發展。預計2021年工業3D打印機系統出貨量的收入將穩定增長15%。
 

　　3.1   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。本屆展會的3D打印機床有的在上屆展會已有展出，但本次參展時技術上有所提升、設備性能和功能更加完善。
 

　　瑞士GF加工方案與美國3D Systems公司繼續加強合作，進一步完善其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，由此有效地提升了增材制造能力和競爭力。本屆展會展出的金屬3D打印機DMP Flex 350(圖28)，依托3D Systems公司的直接金屬打印(DMP)專利技術支持，最大成形尺寸為275 mm×275 mm×420 mm，配備500 W(或450 W)光纖激光器；成形室抽真空至0.1 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；采用功能強大的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。
 

　　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，其操作配置一致，有統一的操作環境，可輕松完成增減材加工的轉換。
 

　　德國的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；采用統一軟件解決方案CELOS(CAD編程→機床控制)，操作/編程簡單方便。該公司另一個機型LASERTEC 30 DUAL SLM的不同在于采用2×600 W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(50~300 μm)；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20世紀90年代中期就與清華大學等單位合作，開展激光選區熔化(SLM)和電子束選區熔化(EBM)技術與設備的研究。該院依托超大型真空電子焊裝備的技術優勢，在本屆展會上首次推出EBM機床和SLM機床(僅有圖片資料介紹，無實物展示)，引起了廣泛的注意。這些機床最大的特點是超大的打印空間，其中EBM機床的最大成形件尺寸是360 mm×360 mm×500 mm、SLM機床的最大成形件尺寸大于810 mm×450 mm×730 mm。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，可有效地減小應力與變形、提高成形精度；掃描速度快(1000 m/s)，電子束流范圍大(0~100 mA)，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10 m/s；采用高精密鋪粉，其層厚范圍可調(20~50 μm)，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(圖29)，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，可采用遠程云平臺及APP監控。
 

　　湖南云箭集團采用SLM技術，推出了VM 280型3D打印機(圖30)，適用于不銹鋼、鈦合金、鋁合金、鎳基合金等。該機采用雙向鋪粉，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，保障打印質量。
 

　　還有許多增材制造(3D打印)機床裝備的公司通過代理公司來參展，例如：東莞寶力機械有限公司代理德國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代理美國HP的MJF機床外，還代理了美國3D Systems公司的ProJet MJP2500多噴頭塑料3D打印機、ProJet CJP360彩色手板3D打印機及美國Markforged公司的Metal X7金屬3D打印機(特有原子擴散增材制造ADAM技術)和X3、X5工業級尼龍/碳纖維3D打印機、波蘭Sinterit公司的Lisa1桌面級SLS3D打印機等；深圳馬路科技有限公司代理美國3D Systems公司的DMP Factory及3DXpert金屬3D打印機、ProJet MJP2500 3D打印機等。
 

　　3.2   非金屬增材制造機床
 

　　廣州形優科技有限公司的展臺展出了多款非金屬材料增材制造機床，包括美國Stratasys公司的Fortus系列FDM 3D打印機、POLYJET的Objet系列光固化3D打印機等，美國Formlabs公司的Form 3/3L系列光固化3D打印機，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Fortus 380mc型FDM 3D打印機(圖31)，其主要特點包括：操作環境干凈、安全，材料無毒，材料利用率高，可選材料多，可在辦公室和家庭環境下進行，無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；產品的分層厚度為0.330、0.254、0.178、0.127 mm(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、工程材料、高端材料。
 

　　美國Stratasys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形材料，支持全彩色打印；成形模型質量高，最薄層厚為14 μm，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，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METHOD X型尼龍/碳纖維3D打印機，通過推出Method Carbon Fiber Editions進入3D打印的新階段，旨在為制造工具、夾具和固定裝置打印更堅固、更精確的尼龍/碳纖維零件，其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，其材料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%，且耐高溫能力也提升了15 ℃；由于支持雙擠出頭，METHOD X ABS可與Stratasys公司的可溶性支撐材料SR-30同時進行3D打印，支撐效果更佳。
 

　　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。該機床主要特點有：一機多材，材料利用率達>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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　　結束語
 

　　總體而言，本屆展會展出的特種加工機床順應了數字化、智能化發展的時代大潮，反映了當今特種加工機床行業的先進水平。電火花加工機床的加工指標雖無突破性提升，但在控制、工藝等技術細節方面不斷完善，加工的一致性、穩定性及自動化水平有了進一步提高；激光加工機床的市場規模持續擴大，高效率、高質量、精細化和智能化成為其發展的主流方向；增材制造(3D打印)開拓了制造技術新模式，工業級增材制造機床日趨成熟，顯露出產業蓬勃發展的態勢。更為可喜的是，特種加工機床制造商更加關注用戶的個性化需求和細分市場的變化，積極為用戶提供先進裝備和綜合解決方案，助力中國制造業的高質量發展。