3D打印應(yīng)該是自PC以來最大的技術(shù)變革者。但過去三十年我們得到了什么？小飾品、藝術(shù)項目、原型和若干醫(yī)療或航空航天設(shè)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(rèn)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(shù)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打印（在生產(chǎn)環(huán)境中也稱為增材制造）和減成工藝（例如銑削）相結(jié)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(guān)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(gòu)造板分離，這將是現(xiàn)代制造技術(shù)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(shù)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(shù)的未來前景非常樂觀。內(nèi)布拉斯加大學(xué)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(rèn)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(shù)（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(shù)都涉及一個或多個金屬3D打印工具，這些工具被設(shè)計成與填充機床工具庫的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計的，但在混合制造技術(shù)的例子中一些機床制造商開始將其作為標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(chǔ)增材制造技術(shù)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(shù)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(xì)地研究這些技術(shù)。

　　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(jié)（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(wù)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(gòu)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(zhǔn)確度的零件--粉末床熔合（PBF）雖然更加準(zhǔn)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(shù)，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(shù)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(fù)性?！?/span>

　　冷噴涂是一種涂層沉積方法，最初是為軸涂層應(yīng)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(wù)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。”

　　“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(jié)合，而不僅僅是機械結(jié)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(jì)50年代出現(xiàn)的一種技術(shù)：超聲波焊接?！拔覀儞碛幸环N專利的輥子設(shè)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?！盕abrisonic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(jié)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?！耙驗槲覀冇幸慌_數(shù)控銑床，我們使用標(biāo)準(zhǔn)G代碼來驅(qū)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(shù)，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(guān)于技術(shù)的討論不談，制造業(yè)中永恒的問題仍然存在：怎么應(yīng)用？

　　“就像機械加工一樣，應(yīng)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(lǐng)域，”Hranka說，“金屬3D打印是一項新技術(shù)，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。”

　　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(yán)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(shù)，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。混合制造使我們能夠調(diào)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(biāo)?！?/span>

內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校工程學(xué)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(yīng)用也令人印象深刻?！拔覀冋谂cTakumi 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(fù)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(shù)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(fù)和再制造，對于這些類型的應(yīng)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(diào)了將混合加工應(yīng)用于修復(fù)應(yīng)用以及再制造的優(yōu)勢。“我們可以掃描零件，將它當(dāng)作CAD圖紙，然后修復(fù)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(shè)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(guān)鍵所在?！?亞利桑那州立大學(xué)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(yīng)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(dān)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?！?/span>

　　Hranka還強調(diào)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。”

　　瓊斯指出了鞏固設(shè)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(yù)熱的產(chǎn)品，然后再通過手工焊接添加金屬?！彼f?！坝辛宋覀兊募夹g(shù)，他們將完全跳過這一步。通過采用單一設(shè)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(shè)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(shè)計、制造、維修和再制造關(guān)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。