3D打印應該是自PC以來最大的技術變革者。但過去三十年我們得到了什么？小飾品、藝術項目、原型和若干醫(yī)療或航空航天設施。我們什么時候才能看到真正的增材制造？

　　也許這么說并不客觀。工業(yè)3D打印的增長已經(jīng)足夠快了，畢竟我們已經(jīng)從制造帶有拼湊在一起的桌面裝置的PLA原型發(fā)展到在工業(yè)級3D打印機上制造生產(chǎn)級零件了。

　　但如果你認為我們已經(jīng)接近3D打印可以用于大規(guī)模生產(chǎn)的極限，那還早著呢--技術需要時間來成熟，并且它會像青少年一樣--總會經(jīng)歷一個并不被理解甚至不看好的階段。

　　在增材制造還沒成熟的眼下，也許我們可以優(yōu)先考慮一下混合制造？

　　理解混合制造的最簡單方法是將添加工藝--3D打?。ㄔ谏a(chǎn)環(huán)境中也稱為增材制造）和減成工藝（例如銑削）相結合。盡管有許多零件是通過這些工藝的某些組合來制造的--而且一直在引入更多零件生產(chǎn)中--但“混合制造”的關鍵條件是，這兩種工藝都在同一臺機器上進行。

制造封閉式葉輪的生產(chǎn)周期比較

　　用金屬3D打印機打印出來的零件，經(jīng)過表面加工以提高其光潔度并使用線切割機與其構造板分離，這將是現(xiàn)代制造技術的一個令人印象深刻的例子，但它仍不能算作是混合制造的例子。因此，通過混合制造生產(chǎn)的零件數(shù)量可能相對較少。該技術仍然相對較新，即使對于像3D打印這樣年輕的行業(yè)也是如此。

　　然而，就像3D打印一樣，混合制造的潛在好處使得一些早期采用者對該技術的未來前景非常樂觀。內(nèi)布拉斯加大學林肯分校機械和材料工程助理教授Michael Sealy就是其中之一。

　　“增材制造確實為能夠逐層或逐區(qū)打印個性的機械性能打開了大門，”他說，“這是最大的優(yōu)勢之一，因此，我認為混合增材制造在未來幾年會爆發(fā)出巨大潛力?！?/span>

　　盡管可用混合機器的總體數(shù)量仍然相對較小，但將它們分成幾種類型是有幫助的。最基本的區(qū)別在于現(xiàn)成的混合機床和傳統(tǒng)機床的加性改造之間。

　　對混合制造技術（HMT）以及3D-混合解決方案所代表的機床進行附加修改的選擇極為有限。在這兩種情況下，核心技術都涉及一個或多個金屬3D打印工具，這些工具被設計成與填充機床工具庫的標準減法工具一起操作。

AMBIT與傳統(tǒng)減法工具一起使用

　　盡管混合動力附加組件是為獨立購買和安裝而設計的，但在混合制造技術的例子中一些機床制造商開始將其作為標準選項提供，包括ELB-SCHLIFF、Mazak和Mitsui Seiki。3D-混合解決方案公司的創(chuàng)始人Karl Hranka證實，他的公司正走在同一條道路上：“我們正與一些早期客戶合作，以改進他們的應用程序，我們正開始與機床制造商合作，成為一家專門的增材制造工具開發(fā)商。”

　　除了這一基本區(qū)別之外，混合制造的類型也可以根據(jù)其基礎增材制造技術進行劃分。這包括定向能量沉積（DED）、電弧增材制造（WAAM）、冷噴涂（CS）和Fabrisonic公司的超聲波增材制造（UAM）。這些技術之間存在重要差異，混合機床制造商各自都在下注，因此值得更詳細地研究這些技術。

　　定向能量沉積涉及使用激光或電子束將粉末進料到在部件表面產(chǎn)生的熔池中。該工藝基本上與選擇性激光燒結（SLS）相同，但粉末僅適用于在此時向零件中添加材料的情況。

DED支持的材料包括鈦、不銹鋼、鋁和其他難加工金屬。DED的另一個優(yōu)點是，至少對于諸如Okuma的LASER EX系列超級多任務機器和3D混合解決方案的一些選項，能夠使用機器的激光執(zhí)行硬化操作。

　　根據(jù)所使用的材料，DED通常要求構建室充滿惰性氣體。然而，對于一些混合機床，例如DMG MORI的LASERTEC 65 3D混合機和LASERTEC 4300 3D混合機，自帶的惰性護罩氣體足以保護熔池以更好地控制材料性能。

　　雖然DED最適合需要更高精度或準確度的零件--粉末床熔合（PBF）雖然更加準確和精確，但它還不是混合機床的唯一選擇--電弧增材制造在沉積率方面勝出。

電弧增材制造

　　“用我們的電弧解決方案，我們每小時沉積約2至5磅，具體取決于合金，”Hranka說。 “但我們?nèi)栽趦?yōu)化，我們相信我們可以走得更快?！?/span>

　　DMS Huron Peak混合系統(tǒng)基于電弧技術，沉積速率為每小時3至5磅。值得注意的是，電弧系統(tǒng)不需要惰性環(huán)境，盡管它們需要像任何電弧焊接過程一樣被屏蔽以確保安全。 Midwest Engineered Systems（MES）高級銷售工程師Peter Gratschmayr進一步解釋了WAAM與其他增材系統(tǒng)的區(qū)別：“這真的不能與其他激光增材制造技術競爭，因為那些是為了更高的分辨率，更小的組件。它最終耗費12到25美元一盎司的粉末才能夠制造零件，它通常還包含20％的廢品率，所以不是所有的粉末都被使用了。”

　　“要記住的另一件事是，我們的材料重量是粉末重量的15到20倍，”Gratschmayr繼續(xù)道，“我們可以制造長達42米，寬6米，高2米的零件，并保持在20至30千分之一的重復性?！?/span>

　　冷噴涂是一種涂層沉積方法，最初是為軸涂層應用而開發(fā)的，但現(xiàn)在正用于混合制造。 3D混合解決方案提供兩個冷噴涂刀頭，一個用于加工較硬的合金，另一個用于激光輔助，用于高速沉積。

冷噴銅沉積在芯軸上

　　冷噴涂工藝源于熱噴涂市場，但與通常熔化金屬粉末的熱噴涂工藝不同，冷噴涂工藝可使金屬粉末保持固態(tài)。

　　“我們可能達到熔點的80％，”VRC金屬系統(tǒng)業(yè)務開發(fā)總監(jiān)Tom Woods解釋道，“這是一種軟化的粉末，所以我們不是將金屬液化并噴涂--這不會給你很強的粘合--我們通過一個超音速噴嘴噴涂粉末，將其加速到大約2馬赫或3馬赫?！?/span>

　　“這會使金屬顆粒在撞擊時變形，”他繼續(xù)道，“然后它們被剪切到你噴涂的任何金屬基底上。這樣你就獲得冶金結合，而不僅僅是機械結合。最終的粘合強度一般大于8000 psi，孔隙率和拉伸強度小于1％--比如鈦材料，我們的粘度超過80000 psi。”

　　超聲波增材制造（UAM）是由Fabrisonic公司開發(fā)，它基于上世紀50年代出現(xiàn)的一種技術：超聲波焊接?！拔覀儞碛幸环N專利的輥子設計，來回滾動鋁箔，并在其滾動時振動，為我們提供了制作粘合所需的擦洗操作。”Fabrisonic總裁兼首席執(zhí)行官Mark Norfolk解釋道。

　　“超聲波的優(yōu)點在于它的低溫，”他繼續(xù)道，“零件不需要高于200°F。因此，進入的材料屬性是相同的材料屬性。您也可以在同一部件中組合不同的金屬，而不會形成金屬間化合物或者您不想要的冶金結果?！?/span>

　　Fabrisonic公司采用現(xiàn)成的數(shù)控銑床，并在其中增加了公司的焊接頭。“因為我們有一臺數(shù)控銑床，我們使用標準G代碼來驅動機器，并排打印薄箔，然后以磚砌圖案相互堆疊，形成3D形狀?！笔褂眠@種技術，混合機器可以通過焊接來打印近凈成形的零件，然后部署切削工具進行減材工作。

　　除開所有關于技術的討論不談，制造業(yè)中永恒的問題仍然存在：怎么應用？

　　“就像機械加工一樣，應用也是多種多樣的：航空航天，醫(yī)療，模具和壓模等等許多不同的領域，”Hranka說，“金屬3D打印是一項新技術，每個使用它的人都面臨著材料方面的挑戰(zhàn)。我們專注于快速打印并利用數(shù)控機床的優(yōu)勢?！?/span>

　　這提出了一個重點：目前，金屬增材制造業(yè)的兩大產(chǎn)業(yè)是航空航天和醫(yī)療。在這些行業(yè)中工作需要遵守嚴格的法規(guī)，而在增材制造方面，這可能意味著不僅要考慮一個部件，還要考慮工藝、材料和機器。層壓金屬和開發(fā)新合金的能力無疑是令人興奮的，但行業(yè)監(jiān)管的繁重程度又使這種興奮感大打折扣。

　　盡管存在悲觀情緒，但混合動力制造的潛在應用確實誘人。Sealy博士一直致力于醫(yī)療植入行業(yè)的一個特別有趣的應用。他說：“每次骨折時，你都得用到鈦、不銹鋼或鈷鉻植入物。即是鋼板材、螺釘和棒材?？蓡栴}是，這些東西放進體內(nèi)可能會造成長期并發(fā)癥。比如我的肘部有兩個螺釘，每當我攜帶一加侖牛奶或卸下洗衣機時，它就會開始疼痛。這就是為什么骨科醫(yī)生經(jīng)常建議您在六到八周后取出植入物的原因。”

　　“我們想的是不用進行第二次手術，而是讓植入物降解，我們使用混合增材制造來控制降解速度。對于年齡較小且仍在增長的人，就可以讓降解速度快一點，而對于年齡較大且不能很快再生骨組織的人來說，降解速度則要慢很多?；旌现圃焓刮覀兡軌蛘{整植入物降解的速度，我們只需改變制造方式即可實現(xiàn)這一目標?！?/span>

內(nèi)布拉斯加大學林肯分校工程學助理教授Michael Sealy正在使用Optomec混合機器生產(chǎn)可生物降解的醫(yī)療植入物。

　　正如Hranka解釋的那樣，即使是相對平凡的混合制造應用也令人印象深刻。“我們正在與Takumi USA展示我們的系統(tǒng)，并在模具與壓模行業(yè)利用他們機器的優(yōu)勢。因此，考慮修復模具，打印保形冷卻通道，甚至是堆焊模具，這樣它們就能持續(xù)更長時間?！?/span>

　　混合制造技術公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Jason Jones對此表示贊同：“定向能量沉積（DED）非常適合修復和再制造，對于這些類型的應用來說，它已經(jīng)非常成熟了。根據(jù)我們的經(jīng)驗，兩者之間的中間點是再制造，只需添加一點材料。”

　Tom Cobbs也強調了將混合加工應用于修復應用以及再制造的優(yōu)勢。“我們可以掃描零件，將它當作CAD圖紙，然后修復涂層--無論是外表面上的耐磨涂層，還是閥門或管道內(nèi)孔上的腐蝕涂層。假設您有一個現(xiàn)有部件，您想為其添加一個功能。您可以將原件加工下來，然后在上面進行添加--例如，我們先加工一根棒子，然后在其末端打印上一個配件?！?/span>

　　對于混合機床，顯而易見的問題是，是否真的需要在一臺機器中合并增材和減材過程。鑒于我們已經(jīng)擁有大量的獨立減材選項，更多的獨立金屬增材選項隨時出現(xiàn)，托盤更換系統(tǒng)更加豐富，將它們放在一臺機器上的好處是什么（除了明顯增加的占地空間）？

　　“這是我對那些想要混合動力的人提出挑戰(zhàn)的關鍵所在?！?亞利桑那州立大學副教授Dhruv Bate說，“除非它能夠一步完成所有事情--這意味著支持移除和完成--否則我看不到投資混合動力機器的優(yōu)勢，因為我很可能仍然需要所有這些下游操作才能真正讓我的部分生產(chǎn)就緒。”

　　Sealy博士提出了不同的觀點：“要在反應材料上進行混合制造，例如，如果你需要加工鎂部件，你必須擔心芯片和粉末變得易燃，因此，你需要一個惰性環(huán)境，進行所有的處理步驟，而不是打印，取出部件，然后回到打印機。”

　　Hranka還強調了無需移動工件即可在增材和減材操作之間切換的好處。 “使用粉末床打印，你不能在內(nèi)部進行任何加工，你只能完整地打印你的部件。使用混合加工，您可以停止打印機器，然后進一步打印。我總是把它想象成一個裝在漂流瓶里的船：能夠打印瓶子，打印船只，精確地獲得表面光潔度和船帆，然后將整個物品打印出來。沒有辦法讓切割工具進入一個完全封賽季的零件里?！?/span>

　　瓊斯指出了鞏固設備需求的好處，特別是在資本支出緊迫的情況下?！拔以谀厦乐拊L問過的一家公司，他們歷來都在生產(chǎn)一種需要傳統(tǒng)預熱的產(chǎn)品，然后再通過手工焊接添加金屬。”他說?！坝辛宋覀兊募夹g，他們將完全跳過這一步。通過采用單一設置方法，他們便可加倍生產(chǎn)零件。他們正在研究來自鑄造廠的鑄件，這些鑄件將安裝在一臺混合型一體機上，歷史上已有三到四種不同的設置，現(xiàn)在將合并為一臺?！?/span>

3D打印的超跑旁邊的（非混合）

大面積增材制造系統(tǒng)

　　盡管我希望，但混合動力制造不太可能在不久的將來為我提供3D打印的汽車、房屋、服裝或智能手機。它可能做的是改變我們在航空航天、醫(yī)療和工具及模具行業(yè)設計、制造、維修和再制造關鍵部件的方式。與更普遍的金屬增材制造一樣，汽車行業(yè)的采用尚未取得進展，但混合制造的簡單性和相對較低的成本，以及在許多情況下使用熟悉的系統(tǒng)和軟件所帶來的易用性，表明它可能是將金屬增材制造引入大規(guī)模生產(chǎn)的最佳選擇。