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最佳工业级3D打印机

2022年 7月 7日
概要 

3D打印不再只是一个概念。如今,许多企业正在凭借这项技术提升竞争力。越来越多的业内人士带着专利设备、软件、材料涌入市场。如何在其中突破重围并不简单。因此,我们在这里汇总了一些购置工业级打印机的注意事项,探讨与工业级3D打印相关的普遍技术,我们将在每一类型中推荐至少一款3D打印机,供您参考。

涉及3D打印机
12款
包含打印技术类型
6类
构建体积范围
3,000 cm² - 250万 cm²

3D打印技术的出现

新设备采用新材料,支持自动化操作,削减成本,处理速度快,加快了增材制造技术的广泛应用。

不久前,3D打印(3DP)、增材制造(AM)几乎只用于原型设计,它们被认为有潜力改变未来。但是,技术发展速度之快,使之不再只是发展的方向或蓝图,也不是行业发展中所谓的下一场革命。新设备采用新材料,支持自动化操作,削减成本,处理速度快,这一切都加快了增材制造技术在航空航天、汽车、医疗保险、牙科、珠宝等行业的广泛应用。

安永会计事务所2019年的一份报告显示,一半受访企业预计他们将在2022年使用增材制造技术制造产品。事实上,早在2022年前,不少企业就已实现。举个身边真实的例子:全球供应链受到新冠疫情严重影响,许多医院不得不寻求当地3D打印供应商,来满足个人防护装备的需求。

如果未来属于3D打印,那可以说,未来早已悄然而至。

为何选择3D打印?

和注塑成型、研磨、数控铣削等传统工艺相比,3D打印给企业带来了很多优势。3D打印机可以生产几何复杂但通常没有结构弱点的整件物体,可避免接头和密封面常常发生泄露或机械故障的情况。

3D打印机可以生产复杂零件,规避传统方法的设计限制,同时节省工具、加工、组装的时间和成本。

对企业而言,一体成型的零件生产技术可以为其节省工具、加工、组装零件产生的时间和金钱成本。换句话说,3D打印机可以不受任何传统工艺中的设计限制,完成内容定制,同时,也没有短期生产成本,或使用传统方式时出现的产品设计改动问题。

穿梭于琳琅满目的3D市场

虽然我们已经取得了长足的发展,但是行业尚未完全成熟。许多企业从事的仍是增材制造工作。从业者始终不断创新,把专利技术方法带向充满活力、不断发展的市场上。因此,我们看到市场上有丰富多彩的技术和材料,但与此同时,市场分散也意味着让人没有方向。

若您正在考虑投资增材制造解决方案,希望本文能为您提供更多信息视角。首先,本文将简要介绍选购产品时需要注意的几个方面,随后,我们介绍工业级3D打印市场上的几项主流技术。在每类技术下,我们将介绍至少一款打印机,并讨论其特点,包括能力、精度、材料特性等几方面。

要点

增材制造已迅速发展成为行业不可或缺的组成部分。但是,飞速发展的后果就是市场分散,难以分辨。

买还是不买?

购买工业级3D打印机前,请首先考虑以下几方面:

全新3D打印机将主要解决哪些重要的业务问题?

没有一台万能的3D打印机可以解决一切问题。3D打印方法多种多样,首先必须明确这项技术要帮您达到何种目的,再计算投资回报率。这一般取决于您打印所需的材料或复合材料是否多样,对最终打印成品有哪些机械性能要求,以及一台设备是否能满足您的所有需求。

是否已准备好采用企业内部AM战略?

有时,外包3D打印服务成本低于购置自己的工业级3D打印机。如果您需要3D打印的大部分零件可以通过一台打印机完成,那么,购置一台设备或许是更明智的选择。您只需确保打印的尺寸符合需求,硬度、弹性、延展度等材料特性符合打印机要求,以及安装打印所需的基础设施完善(电源、空间、通风等)。

然而,如果您需要不同的打印材料,对零件性能有多种要求,那么或许可以考虑外包3D打印服务,直接按要求打印所需部件。当然,您也可以两种方式强强联合,企业内部解决常见场景,其余部分走外包渠道。

打印机运行费用有多少?

一旦确定哪种技术符合需求后,您还需计算设备运行维护的总成本。除了购置设备的费用外,还需考虑打印耗材以及它们的成本和获取难度。此外,设备可能还会涉及其他运营成本,例如安全设备、通风、管道等基础设施,后期处理也可能涉及时间和人力。当然,您还要考虑操作打印机是否需要专业技能?企业现有员工是否可以操作?或许从长远来看,各种开销让人望而却步,无法大规模采用这项技术。

要点

工业级3D打印机的总成本可能很高。在正式行动前,建议对比替代方案,确保做出正确选择。或许外包3D打印服务更合适。

工业级3D打印机类型

最常用的工业级金属3D打印设备基于选择性激光熔融(SLM)技术。还有些设备采用烧结技术,这是一种与熔化类似的过程,但是材料被加压并加热到足以凝固但又不至于液化的温度。采用这些技术的打印设备,其基本工作原理如下:

软件将3D模型切分成平面,3D打印机根据切分平面打印最终成品。打印时,3D打印热床上会被喷上一层特殊粉料,随后,激光束根据所用技术熔化或烧结3D部件的每层平面。

一层平面完成后,热床降低,涂铺系统会在底板喷上一层新的粉料。然后,不断重复激光束的熔化或烧结,新的一层平面将立即粘附在最上方一层。

大多数金属打印机使用激光或电子束将粉料层烧结或熔化成完整的3D物体。

电子束粉料床融合(EBM)打印机的工作原理类似,但采用的不是激光束,而是电子束来熔化(而非烧结)粉料。这个过程会更快,但会牺牲一些精度。

打印过程仍然需要熔化或烧结每一层,降低粉料床,并重复这个过程,直到形成完整物体。

选择性激光熔融(SLM)打印机

EOS M400

EOS的DMLS打印机打印速度可达7.0米/秒,可用材料包括适合高温场景的镍合金。

德国制造商EOS有一款高端直接金属激光烧结成型(DMLS)打印机,共有两个版本。您可购买采用1000瓦激光器的EOS M400,也可选择EOS M400-4,该系统使用400瓦激光器,以强化粉料的融合,改善最终物体表面的光洁度。

两种版本的构建体积都可达400 × 400 × 400毫米,足以应对大部分工业场景。两者的扫描速度高达7米/秒。M400的焦点直径约为90微米,而M400-4的焦点直径略高,约为100微米。

EOS设备支持多种材料,其中包括适合高温场景的镍合金,用于医疗等领域成像设备的纯钨合金,用于热交换器的铜、贵金属和其他用于多种行业的高性能合金。

EOS还提供了一套软件应用,可用来创建或调整CAD数据参数,监控生产,提供控制面板监控整个打印区,并发送有关打印任务、打印机状态的通知。

EOSPrint 2就是其中一款软件,可为您优化打印相关指标,例如构建速度、表面质量、参数等,确保打印任务顺利完成。

EOS还有其他专门用途的解决方案,如用于质控的EOState Monitoring,支持物联网连接的EOSConnect Core,还有可监控整个EOS打印机网络的Connect MachinePark。

DMP Factory 500

3D Systems的直接金属打印机共有5个同时运作的模块,以缩短等待时间,提高打印效率。

3D Systems直接金属打印机(DMP)Factory 500被誉为AM世界的变革者,谈到金属3D打印机时,绝对不能错过这一款。打印机采用模块化设计,使用者可选择符合要求的设置。

模块化设计也意味着,不同模块可以同时运行,而使用非模块化设备时,必须先等当前的打印任务完成后,才能开始下一个打印任务。所以,打印、除粉、回收材料、准备新打印可以同时进行,大幅缩短等待时间,降低成本,提高效率。

这套打印设备共有5个功能特定的模块:

打印模块(PTM);粉料管理模块(PMM)清除工件粉料,自动回收未用粉料;可拆式打印模块(RPM)将成形平台和粉料与大气隔离,可以在打印机与粉料管理模块之间移动;运输模块(TRM),可在打印机和粉料管理模块之间运输可拆式打印模块;缓存模块,可以在打印任务的流程之间暂时存放可拆式打印模块。

Factory 500构建体积高达500 × 500 × 500毫米,比EOS M400大了很多,配置三支500瓦激光器。

就软件而言,3D Systems推出了3Dxpert,提供了从设计到后期处理整个3D打印流程所需的工具。软件包含了与价位相符的所有功能。您可通过软件设置打印板,生成支持结构,调整打印参数,使用构建模拟功能观察热应力参数等,以便在实际打印前进行必要的调整。

LASERTEC 6600 DED混合系统

DMG Mori设备可以在同一台设备上完成增减材制造。

DMG Mori提供一系列混合设备,同时支持增减材制造。这些设备可以在同一台设备上,同时进行焊接和铣削,既能制造又能修复金属部件。

LASERTEC 6600 DED混合系统是该品牌的明星产品之一。该产品设计源于最初铣削-车削中心NT6600 DCG。DMG Mori在这基础上安装了增材制造(AM)单元,可使用定向能沉积,这种工艺通过激光熔化金属粉料层。

LASERTEC 6600 DED混合系统构建体积为1040 × 610 × 3890毫米,非常适合原型设计、小批量生产单模零件、制造形状复杂的零件。

P-50

Desktop Metal还有P-50打印机,据Desktop Metal估计,和部分激光粉料床熔融技术相比,这款设备可以让金属3D打印流程提速100倍,将单个零件的成本降低至传统生产技术相当的水准。

P-50采用单程喷射技术,构建体积为490 × 380 × 260毫米,支持双向打印,1200 dpi打印分辨率。

要点

如想购买SLM金属打印机,那么增材制造领域的两大知名品牌3D Systems和EOS都有不错的产品。当然,根据您的使用场景,激光熔覆、单程喷射等技术也同样值得考虑。

选择性激光烧结(SLS)打印机

EOS P810

P810可制作阻燃抗紫外线零件。这款打印机主要服务于航空航天领域。

P810是一款由EOS和波音联手设计的双激光SLS打印机。这台打印机只能使用一种名为HT-23的材料,因此成为了航空航天领域高性能部件生产的定向解决方案。当然,其他领域的应用场景亦可使用这款打印机。

HT-23是一种含有23%碳纤维的材料,具有阻燃和抗紫外线的特性,符合航空标准FAR 25.853和消防标准EN 45545。换句话说,P810可以打印出轻质、高强度、耐高温的物体。这些可替代碳纤维层压部件,也能替换铝制部件。

P810构建体积为700 × 380 × 380毫米,采用两支70瓦激光器,材料刷新率为40%,构建速度为2.7升/时,包装密度为5%。这些因素都有助于减少生产时间和单个零件的生产成本。

HT1001P

华曙的HT1001P采用模块化设计,包括装载、构建、冷却、分离站,支持连续生产,减少停机时间。

HT1001P是由华曙高科研发的聚合物激光烧结系统。华曙称之为连续增材制造(CAMS)解决方案。该系统采用模块化设计,包括装载、构建、冷却、分离站。HT1001P的设计是为了支持连续的生产周期,确保每次构建的时间间隔最短,同时这还是一款易于自动化的解决方案,可轻松集成其他现成的生产配置。

HT1001P构建体积为1,000 × 500 × 450毫米, 100瓦双系统激光器,扫描速度高达15.2米/秒,闭环粉料处理系统能将未使用的粉料自动退回至供应处。

该系统由公司专利软件BuildStar和MakeStar支持,提供开放机器关键参数、实时构建参数修改、三维可视化、诊断等诸多功能。

光固化(SLA)打印机

ProX 950

ProX950是一台大尺寸SLA打印机,适合一次性生产大型物体,且表面处理得当。

SLA打印机以高品质表面处理著称,精度高,能处理各种塑料材料。大尺寸构建能力是这款产品的另一项优点。3D Systems公司一直是3D打印技术的先驱,他们必然有一款符合这些标准的优秀设备。

ProX 950是一款大尺寸SLA打印机,构建体积高达1,500 × 750 × 550毫米,非常出色。也就是说,这台打印机可以一次性打印汽车仪表盘。此外,该设备支持不同类型的树脂,可产生不同机械特性。

就软件而言,3D Sprint的专利软件包可支持从CAD数据到最终3D打印的完整流程,包括准备CAD和多边形数据,管理3D打印流程,不仅包括SLA打印机,还包括3D Systems旗下采用其他技术的打印机(CJP、DLP、MJP和SLS)。

数字光处理打印机

Figure 4打印机

Figure 4 Production本质上是小型DLP独立阵列式打印机,专门用来大批量打印小型部件。

3D Systems的Figure 4 Production是一款旨在让产量最大化的工业级DLP打印机。DLP技术与SLA类似,区别在于DLP通过投影仪来固化整个树脂层,而非单一光束。

根据Figure 4 Production网页信息,这款打印机能使用各类工业、牙科或定制材料,每年产量可达100多万件。其构建体积为124.8 × 70.2 × 346毫米,基本上可视作一个小型的DLP独立阵列式打印机。

如果您想扩大小型部件的产量,那么Figure 4 Production就是一个很好的选择。它和ProX950这类大尺寸3D打印机不同。正如制造商所说,该设备擅长快速迭代、大规模定制、桥梁预制、小批量生产。

与ProX 950类似,Figure 4 Production采用公司专利3D Sprint软件进行文件准备和制造,同时也能利用3D Connect完成云端集成。

连续液体界面制造技术(CLIP)

另一项值得关注的树脂技术是连续液体界面制造技术(CLIP)。Carbon公司专利数字光合成技术正是基于这一技术研发的。该工艺采用数字光投影和透氧光学器件,快速制造具有机械特性的耐用部件,分辨率高,表面处理具有树脂打印的典型特征。

Carbon的L1是一款大尺寸3D打印机,构建体积为400 × 250 × 460毫米。Carbon公司提供具有不同特性的各类材料,包括高弹性、生物相容性、耐热性、高强度等。丰富的材料加上大体积打印能力,使其成为阿迪达斯这类国际知名品牌青睐的选择。

要点

3D Systems是最早研发SLA打印技术的公司之一,是DLP等树脂变体技术3D打印机领域的领先品牌。如需大批量生产耐用终端部件,Carbon创新型L1 3D打印机非常值得一试。

MultiJet(MJP)打印机

ProJet MJP 2500系列

ProJet MJP 2500系列打印机(MJP 2500W、2500和2500 Plus)使用不同材料打印蜡质模型、工程设计、硬质塑料。

在三维扫描仪方面,我们再次看到了3D Systems在增材治疗领域的领先水平。MultiJet是一种喷墨打印技术,通过打印头将树脂或铸蜡等打印材料喷射至构建平台。安装在打印头上的紫外线灯来回移动,对材料进行选择性固化,并完成每一层的固化。

ProJet MJP 2500系列(MJP 2500W、2500和2500 Plus)能使用不同材料打印蜡质模型、工程设计、硬质塑料。打印机的构建体积为294 × 211 × 144毫米,因此非常适合珠宝和牙科应用。

与3D Systems一些产品类似,这些打印机同样使用公司专利软件3D Sprint进行文件准备和制造,并通过3D Connect完成云端集成。

彩色打印机

J55 Prime

J55 Prime可以生成包括潘通色号在内的超过64万种不同组合。

在最后一类3D打印机——彩色打印机市场中,Stratasys占据了重要的一席之地。这些打印机通常无法为工程应用制作出强度达标的零件,所以它们一般更常用于教育、玩具、彩色原型设计中。同样,由于这些设备能使用全彩、刚性或透明材料、弹性柔性材料、数字ABS等完成构建,因此在功能型原型设计方面,这款打印机有很好的发展前景。

J55 Prime构建体积为140 × 200 × 187毫米,共有5个材料传输通道,一个固定打印头,一个旋转构建平台。据Stratasys称,该设备可以生成包括潘通色号在内的超过64万种不同组合,且工艺安静,没有异味。

软件方面,Stratasys推出了GrabCAD Print软件。这款软件同样包含了从CAD设计、渲染到3D打印全过程的相关功能。GrabCAD Print支持常见文件格式,如3MF、OBJ、STP等等。可导出的文件格式包括STEP (.stp)、IGES (.igs)、STL (.stl)、ACIS (.sat)、JT (.jt)和VRML (.wrl)。

ProJet CJP X60系列

ProJet 860Pro是一款全CMYK 3D打印机,带有多个打印头,可打印各种颜色和渐变色。

3D Systems的X60系列包含了一系列彩色3D打印机,能以一系列丰富的色彩完成高质量构建。这些打印机适合不同行业不同规模的组织。教育机构、建筑公司、消费品生产商、媒体娱乐公司都能使用这些设备来制作教育模型,进行原型设计说明设计意图,或向客户展示零件成品外观。

ProJet 860Pro是一款全CMYK 3D打印机,构建体积为508 × 381 × 229毫米,配备多个打印头,可打印各种颜色和渐变色,还能水平或垂直嵌套零件。

结论

曾被认为属于未来的增材制造技术,如今早已到来。这项技术的优势正在不同行业的不同工艺中不断显现。但是,增材制造依然是一个相对分散的市场,让人难以找到方向。如果您想选购一台工业级3D打印机,请务必首先考虑您的采购决定是否能满足您的需要。如仍需采购,那在熟悉了解的过程中请基于不同技术,对比多种不同选择。

目录
作者: 

Kanyanta Mubanga

科技记者

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