增材和减材制造的混合加工技术解析

当考虑一个零件是用增材制造还是用减材制造时，一般来说会考虑其复杂性。对于高复杂性的零部件来说，增材制造是一种必然选择，因为它能赋予完整的几何自由度去构建具有复杂内部结构和功能的零部件。基于数控加工的减材制造对于常规形状的零件来说能实现高的生产效率以及非常紧密的公差。因此，越是复杂的零部件，就越适合用增材制造技术，需要说明的是，如果零件规格要求更严格的公差，通常需要用传统的方法。

但是，这两种方法都有着各自的优点和局限性。激光烧结增材制造本质上是用激光光束沿着工具路径来熔化昂贵的粉末，一次只创建一个零件的一层。这个过程比传统的数控金属加工速度至少慢了一个数量级。要达到减材制造的速度需要权衡三维中每一层的厚度。你可以用更高的能量输入或是生成更厚的粉末层或是更快的成型以提高生产率，但表面光洁度会受影响。或者你可以接受一个缓慢的过程，来形成较小的层，获得更好的表面光洁度。

甚至可能接受更慢的过程，来形成更薄的层，以获得更好的表面光洁度。在某些类型的数控机床平台，你仍需要后沉积工序。这就是增材制造和减材制造的“斗争”所在。这两种技术被视为互相竞争性的技术，而不是彼此互补。而现在，我们在它们之间搭建起了“桥梁”（见左图）。

混合加工技术能提供从纯粹的增材到减材制造之间的全面选择。混合加工就是这座“桥梁”，我们可以将这两种技术融合在一起，来打印材料，在已有的零部件上添加金属，从无到有构建零件，然后把它们融合在一起。

混合加工
大部分情况下，增材制造的零部件不能满足传统加工的需求。有些功能对表面光洁度或公差有要求，而这不能通过直接材料沉积来获得。在CNC数控机床上增加定向的能量沉积，将能结合金属3D打印的复杂性以及传统数控加工的表面光洁度。

这种混合加工系统可以通过实现较厚的沉积层来最大限度地提高增材制造的生产率，因为能在同一台机器内提高表面光洁度。通过采用一个非常精密的机床，再加上一种调整过的沉积喷嘴，该机器可以从无到有打印零部件或是将材料增加到已有的工件上，然后按照指令进行加工。你可以先打印一点，然后将喷嘴换成铣削刀具进行加工，为下一层沉积做表面处理，再换回喷嘴来沉积下一层材料。或者你也可以打印直到成品完成，然后再加工这个零件。

在Mitsui Seiki（三井精机），我们的混合加工系统是一个5轴加工中心平台，精度为15μm，15,000至30,000rpm的CAT或HSK主轴。和主轴保持一致的喷嘴、光纤激光器、粉末的进料系统，将这些集成到一台加工中心中，我们就得到了一个可以在常规数控加工和增材制造之间来回改变的混合加工系统。

将喷嘴直接载入换刀装置，就像其他常规的铣削刀具一样，多个喷嘴可以支持不同的粉末流速和激光加工工艺。可以最大限度地挖掘其他喷嘴的潜力，来进行局部热处理、表面清洗、部分干燥、烧掉冷却剂、为下一层做表面处理，甚至还可以进行激光钻孔或激光切割。凭借这种混合加工方法，您可以从无到有地打印整个零部件，或是将材料添加到现有的零部件上，或是回收磨损零件来提高耐磨损性，或是修复损坏的零件。

应用
这项技术可以应用在航空发动机涡轮维修方面——高压涡轮压缩机叶片、低压叶片、涡轮、大叶轮和高压涡轮部分。30多年来，这已经在某些案例中得到了很好地应用。然而，在同一平台上现在不能有效地修复零件和进行焊后加工。我们可以在增材制造工艺中加入一个机器之外的检测系统来扫描已有的零件。

该扫描将生成针对CAD模型版本的点云数据。然后可以自动生成刀具路径，从而为一个零件在增材和减材制造之间的来回转换做好准备。我们的目标是最终无需任何工程干预就能做到这一点，能正确地从一个工序进入到下一步工序。

同时这项技术也有可能用于修复零部件，否则这些零件在传统加工环境中会因为机器崩溃或刀具破损而报废。与其报废一个价值数以十万计美元的零部件，显然修复方案更为经济，公司可以将破损工件的扫描数据与CAD文件进行比较，然后生成增材/减材制造的刀具路径，来修复损坏的地方。

未来的激光选择
三井精机的混合加工中心可以更换激光头，也可以用同样的方式更换切削工具。

激光烧结通常只需要100W的激光来通过微铣削去除材料。一般用于激光沉积的2kW激光不能缩小到100W。但是，展望未来的发展，我们可以创建一个能在高功率和低功率激光之间灵活切换的系统。未来的系统可以用激光烧结对零部件进行微铣削、增材制造沉积工艺、传统的激光金属去除。

早期的增材制造方法
整个增材制造工艺仍处于发展初期。很多公司在增材制造上花费了大量金钱，可是并没有得到有效的解决方案。我们应该停止头脑发热。激光行业在其早期“夸下海口”，有些其实现在还无法实现。开发人员要想成功创造工业化的解决方案，必须有着过程控制和成功的系统。不过最开始的时候，激光和光学元件显然没有成功。我们应当避免重蹈激光领域的这个覆辙。

来源： 现代激光工业
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