混合製造與3D列印智造的未來

「

混合製造，也稱混合加工

即在一台機器中結合加減法過程

」

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

也許這麼說並不客觀。工業3D列印的增長已經足夠快了，畢竟我們已經從製造帶有拼湊在一起的桌面裝置的PLA原型發展到在工業級3D印表機上製造生產級零件了。

但如果你認為我們已經接近3D列印可以用於大規模生產的極限，那還早著呢--技術需要時間來成熟，並且它會像青少年一樣--總會經歷一個並不被理解甚至不看好的階段。

在增材製造還沒成熟的眼下，也許我們可以優先考慮一下混合製造？

什麼是混合製造？

理解混合製造的最簡單方法是將添加工藝--3D列印（在生產環境中也稱為增材製造）和減成工藝（例如銑削）相結合。儘管有許多零件是通過這些工藝的某些組合來製造的--而且一直在引入更多零件生產中--但「混合製造」的關鍵條件是，這兩種工藝都在同一台機器上進行。

製造封閉式葉輪的生產周期比較

用金屬3D印表機列印出來的零件，經過表面加工以提高其光潔度並使用線切割機與其構造板分離，這將是現代製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製造的例子。因此，通過混合製造生產的零件數量可能相對較少。該技術仍然相對較新，即使對於像3D列印這樣年輕的行業也是如此。

然而，就像3D列印一樣，混合製造的潛在好處使得一些早期採用者對該技術的未來前景非常樂觀。內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。

「增材製造確實為能夠逐層或逐區列印個性的機械性能打開了大門，」他說，「這是最大的優勢之一，因此，我認為混合增材製造在未來幾年會爆發出巨大潛力。」

混合加工類型和工藝

儘管可用混合機器的總體數量仍然相對較小，但將它們分成幾種類型是有幫助的。最基本的區別在於現成的混合機床和傳統機床的加性改造之間。

對混合製造技術（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列印工具，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與傳統減法工具一起使用

儘管混合動力附加組件是為獨立購買和安裝而設計的，但在混合製造技術的例子中一些機床製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，我們正開始與機床製造商合作，成為一家專門的增材製造工具開發商。」

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

定向能量沉積

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，但粉末僅適用於在此時向零件中添加材料的情況。

DED支持的材料包括鈦、不鏽鋼、鋁和其他難加工金屬。DED的另一個優點是，至少對於諸如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行硬化操作。

根據所使用的材料，DED通常要求構建室充滿惰性氣體。然而，對於一些混合機床，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。

電弧增材製造

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--電弧增材製造在沉積率方面勝出。

電弧增材製造

「用我們的電弧解決方案，我們每小時沉積約2至5磅，具體取決於合金，」Hranka說。 「但我們仍在優化，我們相信我們可以走得更快。」

DMS Huron Peak混合系統基於電弧技術，沉積速率為每小時3至5磅。值得注意的是，電弧系統不需要惰性環境，儘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與其他增材系統的區別：「這真的不能與其他激光增材製造技術競爭，因為那些是為了更高的解析度，更小的組件。它最終耗費12到25美元一盎司的粉末才能夠製造零件，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繼續道，「我們可以製造長達42米，寬6米，高2米的零件，並保持在20至30千分之一的重複性。」

冷噴塗

冷噴塗是一種塗層沉積方法，最初是為軸塗層應用而開發的，但現在正用於混合製造。 3D混合解決方案提供兩個冷噴塗刀頭，一個用於加工較硬的合金，另一個用於激光輔助，用於高速沉積。

冷噴銅沉積在芯軸上

冷噴塗工藝源於熱噴塗市場，但與通常熔化金屬粉末的熱噴塗工藝不同，冷噴塗工藝可使金屬粉末保持固態。

「我們可能達到熔點的80％，」VRC金屬系統業務開發總監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並噴塗--這不會給你很強的粘合--我們通過一個超音速噴嘴噴塗粉末，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，」他繼續道，「然後它們被剪切到你噴塗的任何金屬基底上。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於8000 psi，孔隙率和拉伸強度小於1％--比如鈦材料，我們的粘度超過80000 psi。」

超聲波增材製造

超聲波增材製造（UAM）是由Fabrisonic公司開發，它基於上世紀50年代出現的一種技術：超聲波焊接。「我們擁有一種專利的輥子設計，來回滾動鋁箔，並在其滾動時振動，為我們提供了製作粘合所需的擦洗操作。」Fabrisonic總裁兼首席執行官Mark Norfolk解釋道。

「超聲波的優點在於它的低溫，」他繼續道，「零件不需要高於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。」

Fabrisonic公司採用現成的數控銑床，並在其中增加了公司的焊接頭。「因為我們有一台數控銑床，我們使用標準G代碼來驅動機器，並排列印薄箔，然後以磚砌圖案相互堆疊，形成3D形狀。」使用這種技術，混合機器可以通過焊接來列印近凈成形的零件，然後部署切削工具進行減材工作。

混合製造應用

除開所有關於技術的討論不談，製造業中永恆的問題仍然存在：怎麼應用？

「就像機械加工一樣，應用也是多種多樣的：航空航天，醫療，模具和壓模等等許多不同的領域，」Hranka說，「金屬3D列印是一項新技術，每個使用它的人都面臨著材料方面的挑戰。我們專註於快速列印並利用數控機床的優勢。」

這提出了一個重點：目前，金屬增材製造業的兩大產業是航空航天和醫療。在這些行業中工作需要遵守嚴格的法規，而在增材製造方面，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。層壓金屬和開發新合金的能力無疑是令人興奮的，但行業監管的繁重程度又使這種興奮感大打折扣。

儘管存在悲觀情緒，但混合動力製造的潛在應用確實誘人。Sealy博士一直致力於醫療植入行業的一個特別有趣的應用。他說：「每次骨折時，你都得用到鈦、不鏽鋼或鈷鉻植入物。即是鋼板材、螺釘和棒材。可問題是，這些東西放進體內可能會造成長期併發症。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。這就是為什麼骨科醫生經常建議您在六到八周後取出植入物的原因。」

「我們想的是不用進行第二次手術，而是讓植入物降解，我們使用混合增材製造來控制降解速度。對於年齡較小且仍在增長的人，就可以讓降解速度快一點，而對於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。混合製造使我們能夠調整植入物降解的速度，我們只需改變製造方式即可實現這一目標。」

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

正如Hranka解釋的那樣，即使是相對平凡的混合製造應用也令人印象深刻。「我們正在與Takumi USA展示我們的系統，並在模具與壓模行業利用他們機器的優勢。因此，考慮修復模具，列印保形冷卻通道，甚至是堆焊模具，這樣它們就能持續更長時間。」

混合製造技術公司首席執行官兼聯合創始人Jason Jones對此表示贊同：「定向能量沉積（DED）非常適合修復和再製造，對於這些類型的應用來說，它已經非常成熟了。根據我們的經驗，兩者之間的中間點是再製造，只需添加一點材料。」

Optomec的LENS產品經理Tom Cobbs也強調了將混合加工應用於修復應用以及再製造的優勢。「我們可以掃描零件，將它當作CAD圖紙，然後修復塗層--無論是外表面上的耐磨塗層，還是閥門或管道內孔上的腐蝕塗層。假設您有一個現有部件，您想為其添加一個功能。您可以將原件加工下來，然後在上面進行添加--例如，我們先加工一根棒子，然後在其末端列印上一個配件。」

混合機床與獨立3D印表機

對於混合機床，顯而易見的問題是，是否真的需要在一台機器中合併增材和減材過程。鑒於我們已經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，托盤更換系統更加豐富，將它們放在一台機器上的好處是什麼（除了明顯增加的佔地空間）？

「這是我對那些想要混合動力的人提出挑戰的關鍵所在。」 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就緒。」

Sealy博士提出了不同的觀點：「要在反應材料上進行混合製造，例如，如果你需要加工鎂部件，你必須擔心晶元和粉末變得易燃，因此，你需要一個惰性環境，進行所有的處理步驟，而不是列印，取出部件，然後回到印表機。」

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。 「使用粉末床列印，你不能在內部進行任何加工，你只能完整地列印你的部件。使用混合加工，您可以停止印表機器，然後進一步列印。我總是把它想像成一個裝在漂流瓶里的船：能夠列印瓶子，列印船隻，精確地獲得表面光潔度和船帆，然後將整個物品列印出來。沒有辦法讓切割工具進入一個完全封賽季的零件里。」

瓊斯指出了鞏固設備需求的好處，特別是在資本支出緊迫的情況下。「我在南美洲訪問過的一家公司，他們歷來都在生產一種需要傳統預熱的產品，然後再通過手工焊接添加金屬。」他說。「有了我們的技術，他們將完全跳過這一步。通過採用單一設置方法，他們便可加倍生產零件。他們正在研究來自鑄造廠的鑄件，這些鑄件將安裝在一台混合型一體機上，歷史上已有三到四種不同的設置，現在將合併為一台。」

增材和減材結合

3D列印的超跑旁邊的（非混合）

大面積增材製造系統

儘管我希望，但混合動力製造不太可能在不久的將來為我提供3D列印的汽車、房屋、服裝或智能手機。它可能做的是改變我們在航空航天、醫療和工具及模具行業設計、製造、維修和再製造關鍵部件的方式。與更普遍的金屬增材製造一樣，汽車行業的採用尚未取得進展，但混合製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和軟體所帶來的易用性，表明它可能是將金屬增材製造引入大規模生產的最佳選擇。

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