第十七届中国国际机床展览会特种加工机床评述（下）

　　【机床商务网栏目 产品评测】通过对第十七届中国国际机床展览会(CIMT 2021)参展特种加工机床的现场观摩、资料收集以及与参展厂商的交流座谈，对国内外电加工机床、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。
 

　　02
 

　　激光加工机床
 

　　本届展会共汇聚了国内外20多家激光加工企业参展。国内方面有深圳大族激光科技产业集团股份有限公司、奔腾激光(温州)有限公司、江苏亚威机床股份有限公司、江苏扬力数控机床有限公司、东莞市力星激光科技有限公司、武汉华工激光工程有限责任公司、广东宏石激光技术股份有限公司、深圳迪能激光科技有限公司、北京珊达激光科技发展有限责任公司、苏州领创激光科技有限公司、济南邦德激光股份有限公司、济南金威刻科技发展有限公司、苏州瑞铁机床股份有限公司等；国外方面有德国德马吉公司(DMG)、德国普雷茨特精密技术有限公司(Precitec)、德国埃马克集团(EMAG)、意大利博栗玛贸易有限公司(BLM)、日本三菱电机自动化有限公司、日本远州株式会社等。
 

　　参展的激光加工设备主要包括激光切割设备、超快激光精密加工设备、激光焊接设备及其他激光加工设备。其中展品中占比最大的激光切割设备普遍呈现出高功率、高效率、高质量、智能化、模块化等特点，实现了对大厚板、高反射率材料的高效切割；激光精密加工设备普遍为纳秒激光设备，参展的国内外企业展出了应用于精密超硬刀具加工的纳秒超快激光精密加工设备，未有飞秒激光加工设备展出；激光焊接设备方面，国内企业推出了手持型激光焊接机，由于其灵活方便，操作简单，大大提高了传统手工焊的工作效率。
 

　　2.1   激光切割设备
 

　　本届展会参展的激光切割设备相较于上一届展会最突出的特点是高功率和智能化。激光切割设备普遍搭配了“万瓦级”输出功率的激光器，如大族激光智能装备集团、奔腾激光(温州)有限公司、苏州领创激光科技有限公司、北京珊达激光科技发展有限责任公司等企业的激光切割设备均可搭配输出功率为“20 kW级”的激光器。其中，济南邦德激光股份有限公司展出的Dream3磁悬浮光纤激光切割机(图23)，选配40 kW光纤激光器，切割碳钢厚度可达100 mm、切割不锈钢厚度可达200 mm。更高的激光输出功率不仅可应用于更厚的板材切割，而且在切割相同厚度的板材时，还可保证切割质量和更快的切割速度，提高生产效率。随着激光器功率的增大，设备可实现更高的切割速度，提高生产效率。多家企业采用了磁悬浮电机，其激光切割设备的动力性能和动态性能更加卓越。如江苏亚威机床股份有限公司展出的HLS-2040磁悬浮光纤激光切割机(图24)，X、Y轴最大加速度达到了2.5g；济南邦德激光股份有限公司展出的Dream3磁悬浮光纤激光切割机同样采用了磁悬浮电机，X、Y轴最大加速度更是达到了4g。
 

　　通过数控技术和AI技术，很多企业参展的激光切割设备实现了生产过程的智能化、自动化。大族激光智能装备集团参展的SF系列双平台光纤激光切割机可选配智能制造模块，分解加工过程，将各种变量数字化，从而精细化提升制造工艺和效率。在板材切割过程中使用AutoSplit智能裁剪板材，工序内自动分离工件和需仓库回收的板材余料。和和机械有限公司展出的SLT-102-FIBER全自动化激光切管机，采用11轴数控，选配1~2 kW光纤激光器，可对不同材质的方管、圆管、异型管进行切割加工，并从自动背料架进料、材料自动校准、进料及倾转、激光切割到自动下料，采用全自动化生产流程。日本三菱电机公司展出的ML4020GX-F60二维激光加工机采用了AI技术“Maisart”，可根据加工中的声音和光对加工状态进行AI判断，自动调整加工条件，致力于实现“不停顿的加工”。德国普雷茨特公司此次参展推出了ProCutter Zoom2.0智能切割头，应用PierceTec技术可提供快速优质穿孔，其内置传感器可实时监控穿孔过程，并且会根据穿孔时的数据优化激光功率，传感器检测数据都能在APP上同步显示，实时进行远程控制，而稳定的穿孔质量和高效的穿孔作业使其在切割厚板时更具有优势。
 

　　2.2   激光精密加工设备
 

　　激光精密加工设备，特别是超快激光加工设备在激光加工领域扮演着越来越重要的角色。德马吉公司展出的LASERTEC 20linear精密刀具激光加工中心(图25)，搭载532 nm纳秒激光器非切削地加工PCD、CVD-D和CBN材质的切削刃、后角和断屑器，激光加工可提高刀具使用寿命达2.5倍。高动态性能的五轴激光加工将刀坯切为刀片，切分速度高于线切割机床达10倍，生产效率的增加使金刚石刀具生产成本大大降低。联合磨削集团(EWAG)展出的LASER LINE PRECISION高精度五轴激光烧蚀系统(图26)，搭配最大输出功率50 W的532 nm纳秒短脉冲激光器以及一体化六轴机器人，能在一次装夹的情况下完成对切削刃、空心型腔和断屑台以及激光打标的所有加工，该系统中的“LASEER LINE PRECISION”专为生产金刚石工具而设计，绿光波长范围(532 nm)的集成短脉冲激光器可对金刚石材料进行特别有效的加工。
 

　　国内方面，北京市电加工研究所推出了LASER6120精密刀具激光刃磨机床(图27)，可选配100 W纳秒光纤激光器和60 W皮秒激光器，主要应用于PCD、CBN、陶瓷及硬质合金刀具的刃口加工和可转位刀具容屑槽的加工。使用脉冲皮秒超短脉冲激光技术，材料直接被汽化蒸发，没有显著的热量输入，在加工时刀具刃口不会因为受热而损坏，使用寿命显著提高。
 

　　皮秒、飞秒激光等超短脉冲激光因具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，可实现高精度的微/纳加工，而且在加工过程中对工件无热损伤，对于所加工的零件而言可获得更长的使用寿命。可能受疫情影响以及上一届展会的市场反馈，本届展会没有皮秒/飞秒激光加工设备的展出。参展设备普遍选择纳秒激光作为激光源，在满足加工需求的条件下可降低设备成本。但随着激光器生产工艺的逐渐成熟，超短脉冲激光器成本降低，皮秒/飞秒超短脉冲激光加工设备必然会成为激光精密加工设备的发展方向。
 

　　2.3   激光焊接设备
 

　　激光焊接技术一般搭配机床或焊接机器人进行自动化生产，但在一些室外现场进行焊接或者复杂位置的焊接，激光焊接由于设备体积问题并不适用。传统电弧焊设备简单，操作灵活方便，能进行全位置焊接适合焊接多种材料，其不足之处是劳动强度大、烟尘噪声污染严重，而且对焊工技术水平要求较高。得益于光纤激光器的发展，激光器体积显著减小，便于集成，本届展会上大族激光智能装备集团、广东宏石激光技术股份有限公司、奔腾激光(温州)有限公司等企业针对传统电弧焊技术的不足之处，推出了手持式光纤激光焊接机。奔腾激光(温州)有限公司展出的飞鸿SWAN-HW手持激光焊接机采用激光器水冷一体机设计移动轻便。手持焊接头内置高精度振镜电机，其中双轴摆动焊接头除了可应用于中薄板材的焊接，还具有激光切割、清洗功能。焊缝热输入量小、焊件变形小、表面质量好，焊接效率比传统弧焊更高。广东宏石激光技术股份有限公司展出的FMW系列手持式光纤激光焊接机，焊接头同样搭载WOBBLE摆动系统，其质量仅为0.8 kg，持久工作不易疲劳。目前手持式激光焊接机的功率都低于2 kW，适合于4 mm以下的不锈钢、碳钢的焊接。而在安全性方面，参展设备都具备多重安全防护措施，焊嘴只有在触碰到金属时触动开关才有效，并且触动开关带有体温感应，保证不会因为误触导致激光发射对人造成伤害。
 

　　2.4   其他激光加工设备
 

　　本次参展的多用途激光加工机和复合加工机与上一届展会展出的设备基本一致。日本远州株式会社生产的LBM10，是在各种激光加工专用机的构造基础上采用最新理念制作的多用途机型，以小零部件的激光加工为主要应用方向，实现了最小的占地空间。与专用机必须从零开始相比较，通用激光加工机可在短时间以合理的成本构建完成激光加工体系统。本次参展的设备为LMB10通用激光加工机，搭载了2 kW半导体激光器，主要用于激光焊接、激光熔覆、激光淬火。
 

　　江苏亚威机床股份有限公司展出了HPML30510冲割复合机，该机型可实现冲孔、成形、攻丝、激光切割、成品自动落料输送等功能。当遇到不常用的特殊孔时，利用激光进行加工可节省模具费用和加快交货期。例如，冲切很难实现的段差外周，使用激光后就可简单实现。复合加工机在很好地降低生产成本的同时，还能帮助企业改善生产工艺、提高产品附加价值。
 

　　北京珊达激光科技发展有限责任公司此次展出了SD-5C-200光纤激光清洗机，可应用于金属表面除锈、表面除漆脱漆处理、工件表面污渍污垢清洗、焊接/喷涂预处理等方面，实现无化学试剂、无介质、无尘、无水清洗。激光清洗表面洁净度高，能清除纳米级以下污染微粒。在清洗领域，激光清洗具有广阔的发展前景。
 

　　03
 

　　增材制造(3D打印)机床
 

　　2020年全球增材制造业仍然保持了正增长的势头，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，都超过了世界的三分之一。中国增材制造产业连续多年增速维持在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的3D打印机将引领3D打印行业的发展。预计2021年工业3D打印机系统出货量的收入将稳定增长15%。
 

　　3.1   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。本届展会的3D打印机床有的在上届展会已有展出，但本次参展时技术上有所提升、设备性能和功能更加完善。
 

　　瑞士GF加工方案与美国3D Systems公司继续加强合作，进一步完善其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，由此有效地提升了增材制造能力和竞争力。本届展会展出的金属3D打印机DMP Flex 350(图28)，依托3D Systems公司的直接金属打印(DMP)专利技术支持，最大成形尺寸为275 mm×275 mm×420 mm，配备500 W(或450 W)光纤激光器；成形室抽真空至0.1 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；采用功能强大的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。
 

　　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，其操作配置一致，有统一的操作环境，可轻松完成增减材加工的转换。
 

　　德国的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；采用统一软件解决方案CELOS(CAD编程→机床控制)，操作/编程简单方便。该公司另一个机型LASERTEC 30 DUAL SLM的不同在于采用2×600 W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(50~300 μm)；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20世纪90年代中期就与清华大学等单位合作，开展激光选区熔化(SLM)和电子束选区熔化(EBM)技术与设备的研究。该院依托超大型真空电子焊装备的技术优势，在本届展会上首次推出EBM机床和SLM机床(仅有图片资料介绍，无实物展示)，引起了广泛的注意。这些机床最大的特点是超大的打印空间，其中EBM机床的最大成形件尺寸是360 mm×360 mm×500 mm、SLM机床的最大成形件尺寸大于810 mm×450 mm×730 mm。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，可有效地减小应力与变形、提高成形精度；扫描速度快(1000 m/s)，电子束流范围大(0~100 mA)，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10 m/s；采用高精密铺粉，其层厚范围可调(20~50 μm)，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(图29)，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，可采用远程云平台及APP监控。
 

　　湖南云箭集团采用SLM技术，推出了VM 280型3D打印机(图30)，适用于不锈钢、钛合金、铝合金、镍基合金等。该机采用双向铺粉，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，保障打印质量。
 

　　还有许多增材制造(3D打印)机床装备的公司通过代理公司来参展，例如：东莞宝力机械有限公司代理德国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代理美国HP的MJF机床外，还代理了美国3D Systems公司的ProJet MJP2500多喷头塑料3D打印机、ProJet CJP360彩色手板3D打印机及美国Markforged公司的Metal X7金属3D打印机(特有原子扩散增材制造ADAM技术)和X3、X5工业级尼龙/碳纤维3D打印机、波兰Sinterit公司的Lisa1桌面级SLS3D打印机等；深圳马路科技有限公司代理美国3D Systems公司的DMP Factory及3DXpert金属3D打印机、ProJet MJP2500 3D打印机等。
 

　　3.2   非金属增材制造机床
 

　　广州形优科技有限公司的展台展出了多款非金属材料增材制造机床，包括美国Stratasys公司的Fortus系列FDM 3D打印机、POLYJET的Objet系列光固化3D打印机等，美国Formlabs公司的Form 3/3L系列光固化3D打印机，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Fortus 380mc型FDM 3D打印机(图31)，其主要特点包括：操作环境干净、安全，材料无毒，材料利用率高，可选材料多，可在办公室和家庭环境下进行，无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；产品的分层厚度为0.330、0.254、0.178、0.127 mm(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、工程材料、高端材料。
 

　　美国Stratasys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形材料，支持全彩色打印；成形模型质量高，最薄层厚为14 μm，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，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METHOD X型尼龙/碳纤维3D打印机，通过推出Method Carbon Fiber Editions进入3D打印的新阶段，旨在为制造工具、夹具和固定装置打印更坚固、更精确的尼龙/碳纤维零件，其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，其材料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%，且耐高温能力也提升了15 ℃；由于支持双挤出头，METHOD X ABS可与Stratasys公司的可溶性支撑材料SR-30同时进行3D打印，支撑效果更佳。
 

　　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。该机床主要特点有：一机多材，材料利用率达>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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　　结束语
 

　　总体而言，本届展会展出的特种加工机床顺应了数字化、智能化发展的时代大潮，反映了当今特种加工机床行业的先进水平。电火花加工机床的加工指标虽无突破性提升，但在控制、工艺等技术细节方面不断完善，加工的一致性、稳定性及自动化水平有了进一步提高；激光加工机床的市场规模持续扩大，高效率、高质量、精细化和智能化成为其发展的主流方向；增材制造(3D打印)开拓了制造技术新模式，工业级增材制造机床日趋成熟，显露出产业蓬勃发展的态势。更为可喜的是，特种加工机床制造商更加关注用户的个性化需求和细分市场的变化，积极为用户提供先进装备和综合解决方案，助力中国制造业的高质量发展。