金属增材制造设备厂商大盘点!

百家 作者:智能制造IM 2021-02-16 23:10:59 阅读:273


导 读 ( 文/ 陶亦然 )


金属增材制造作为整个增材制造体系中最有潜力和最具魅力的分支,是未来先进制造技术的重要发展方向之一。


增材制造(Additive Manufacturing),也称快速原型制造(Rapid Prototyping)、三维打印(3D Printing )、实体自由制造(Solid Free-form Fabrication),是一种以计算机三维模型辅助设计技术为基础,利用专用数控系统将特定材料粉末按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积出实体物品的制造技术。


相较于通过切削、打磨、组装的传统材料加工方式,其具有“自下而上”、“从无到有”、“逐步累加”的特点。因而,其有效解决了以往传统材料制造方式无法实现复杂结构件制造的难题。金属增材制造作为整个增材制造体系中最有潜力和最具魅力的分支,是未来先进制造技术的重要发展方向之一。


◎ 图源:EOS


在国家大力倡导新基建的背景下,金属增材制造技术更是扮演着助力传统制造业转型升级的重要角色。目前,国内金属增材制造技术已在航空航天、汽车制造、生物医疗等领域得到了长足发展,成为现代高难度复杂金属结构件制造的有效解决手段,随之也诞生了一大批优秀的国产金属增材制造设备厂商,共同助力国产金属增材制造技术快速发展。

本文通过设备成型尺寸、激光器情况、最小铺粉层厚三个增材制造设备重要参数维度入手,对国产金属增材设备厂商产品进行简要梳理,总结各厂商技术现状,探讨国内金属增材制造设备可能的未来发展趋势。

金属增材制造技术主要分为粉末床熔合技术(Power Bed Fusion,)和定向能量沉积技术(Directed Energy Deposition)两大类,如图1所示。其中选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔化(EBM)、电弧增材制造(WAAM)是应用较广泛的几种技术。[1]

◎ 图1 金属增材制造技术概括


目前国内金属增材制造厂商设备以粉末床熔合设备为主,其具有设备简单,技术成熟,能直接成型出接近完全致密度的金属零件,不需要黏结剂,成型的精度和力学性能好,成型金属零件领域覆盖广泛等特点。本文将着重介绍该类设备。


01

设备成型尺寸

决定金属增材制造的广度


作为增材制造设备的重要参数之一,设备的最大成型尺寸决定了此设备最大能制造出的金属零件大小,从而也间接决定了增材制造厂商所能涉及的市场范围,更大的零件尺寸不仅能用于更大型的建筑、装备等领域,同时也能减少复杂装备的构建数量,简化装配流程,降低制造成本。

因此,研发更大尺寸的增材制造设备是设备研发厂商不断追求的目标。国内主流增材制造设备厂商粉末床熔合设备最大成型尺寸如表1所示。

表1 国内主流增材制造设备厂
商粉末床熔合设备最大成型尺寸
(数据来源:企业官网)

根据上表可以看出,大部分企业粉末床熔合设备成型尺寸普遍仍处于200mm~800mm区间,属于中小型粉末床熔合金属增材制造设备,只有西安铂力特、煜宸激光和西帝摩3D拥有1000mm级以上成型尺寸粉末床熔合增材制造设备。

200mm~800mm尺寸设备能够满足常规零件的生产要求。随着制造尺寸的增加,整体控制、扑粉速度、制造精度的难度增加,且随着设备成型尺寸的逐步增加而难度系数大幅提升。因此,国内整体金属大型部件的增材制造水平还依然偏低,设备较为局限,市场仍偏向于中、小型零部件的制造。

02

激光器功率

决定金属增材制造的速度


激光器是增材制造设备的重要组成部分。目前企业普遍所采用的选择性激光熔化技术通过高能激光作为能量源,按照三维CAD 切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描,扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果,最终获得模型所设计的金属零件。[2]因此激光器的功率大小成为决定增材制造成型速度的关键性因素。国内主流增材制造设备厂商粉末床熔合设备采用激光器情况如表2所示:

表2 国内主流增材制造设备厂商

粉末床熔合设备采用激光器情况

(数据来源:企业官网)


根据上表可以看出,目前国内主流增材制造设备厂商粉末床融合设备所采用的激光器功率处在200w~500w之间,且大部分厂商都优先采用500w的激光器配备于主要设备。由增材制造特性可知,随着零件制造尺寸的增加,所需能量也随之增大,因而,大尺寸设备所需激光器功率也更大。

对于大功率激光需求,部分厂商采取的是利用4000w,甚至10000w或15000w的单台超大功率激光器方案。虽然超大功率激光器方案很好的满足了大尺寸增材制造设备的能量需求,但随着激光功率增加,会出现激光模式及光束质量、成型精度降低等问题。针对这一问题,部分厂商采用多台激光器并联方案,利用2台~6台500w激光器并联协同操作,不仅达到了单台超大功率激光器的同等功率要求,而且通过每台激光器功率的精细化调节,实现了制造的精准控制,有效提升了制造效率。

03

最小铺粉层厚

决定金属增材制造的精度


对于粉末床融合增材制造设备来说,最小铺粉层厚是衡量设备性能的重要指标,铺粉层厚的大小,决定了成型后的成品精度,每层铺粉越薄,精度越高,该设备制造复杂结构件的能力也越强。

因此,为了制造更为复杂的成品结构件,充分发挥增材制造相较于传统制造方法的优势,增材制造设备厂商纷纷尽可能减小粉末床熔合设备的铺粉层厚,提升粉末床熔合设备的制造精度。国内主流增材制造设备厂商粉末床熔合设备铺粉层厚如表3所示:

表3 国内主流增材制造设备厂商
粉末床熔合设备最小铺粉层厚
(数据来源:企业官网)

根据上表可以看出,国内增材制造设备厂商目前粉末床融合设备的最小铺粉层厚普遍均为20μm,个别企业达到了10μm的技术水平。其中广东信达雅的设备做到了5μm的国内行业最高,具有一定的领先优势。从最小铺粉层厚数据来说,基本处于国内增材制造设备厂商行业领先地位,但行业之间技术节点相对趋近,行业顶尖企业仍相对较少,无法形成行业纵向的技术代差。


另外,需要指出的是,目前国内增材制造设备厂商铺粉层厚20μm及以上粉末床融合设备大多都是中小型成型尺寸设备,由于控制精度、激光功率、铺粉均匀度等问题,随着大型设备成型尺寸的增加,铺粉层厚也有所增大,技术上还无法实现大成型尺寸与低铺粉层厚的兼容。


04

其他技术方向设备厂商情况


除了选择性激光熔化技术,国内部分厂商也推出了其他技术方向的金属增材制造设备,表4所示。这些技术有着成本、尺寸、难度等方面其特有的优势,很好的对增材制造设备市场形成了有利补充。


表4 国内主流增材制造设备厂商

其他技术方向设备情况

(数据来源:企业官网)


可以看到,目前拥有其他技术方向设备的国内设备厂商仍相对较少,技术成熟度也相对偏低,难以形成市场规模效应,与主流选择性激光融合技术设备市场进行有利竞争也存在较大困难。

05

总结


增材制造技术的普及,有效的促进了制造业转型升级,在简化制造流程、提升制造水平的同时,也有效简化了复杂零部件的加工与制造难度。作为金属增材制造市场的重要上游环节,金属增材制造设备厂商起到了决定整体金属增材制造行业水平的重要作用。

整体来看,目前国内金属增材制造设备厂商普遍取得了一定的技术突破,形成了一定的技术积累,推出了许多富有市场竞争力的设备,有效的保障了我国金属增材制造处于世界领先地位。

但与此同时,国内金属增材制造设备还面临着,技术方式单一、顶尖技术不多、创新性不强市场覆盖面不大、市场占有率不高等问题,这些都需要国内金属增材制造设备厂商继续加大创新、补齐短板,推出更多更符合市场需求,具有功能、领域、成本优势的产品,共同助力国内金属增材制造行业高速发展。


参考资料:

[1]黄雅楠,杨璐,李笑林. 3D打印金属结构研究进展与展望[A]. 中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会(Institute of Structural Stability and Fatigue, China Steel Construction Society).中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会第17届(ISSF-2021)学术交流会暨教学研讨会论文集[C].中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会(Institute of Structural Stability and Fatigue, China Steel Construction Society):工业建筑杂志社,2021:5.

[2] SLM(选择性激光熔化) .百度百科

https://baike.baidu.com/item/SLM/19488541?fr=aladdin

[3] 20家中国金属3D打印企业的起源.搜狐网

https://www.sohu.com/a/271891744_181700

[4] 国内外值得关注的金属3D打印企业有哪些?. 机床商务网

https://www.jc35.com/news/detail/62378.html

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