来源：江苏激光联盟
本文从聚合物增材制造的早期发展和工作原理开始，通过对两种最广泛的技术的识别和表征，简要介绍了金属增材制造的扩展，最后概述了混合金属增材制造的最新发展。混合制造的早期分类，以利用主要加工原料的形式，如锭、板、棒、管、型材，根据增材制造与传统制造工艺结合而产生的一种新型杂化的出现，重新讨论了粉末和球团。
特别强调了增材制造与成形工艺的结合，以实现以下两个目标:(i)增加金属增材制造的适用性领域，克服其生产率低、冶金缺陷、表面粗糙质量和尺寸精度不足等方面的局限性;(ii)增加传统成型工艺的灵活性并促进其新应用。
1. 介绍
混合制造(HM)是指将不同的技术结合在一起，以克服各自的局限性并从其内在优势中获益的制造过程(Chu, 2014)。HM起源于减材制造(SM)，但随着时间的推移，它的概念和应用逐渐融合了其他传统制造技术，如焊接、组装和成型(Zhu等， 2013; Lauwers等，2014)。
本文关注的是一种新型杂交技术的出现，其根源是金属增材制造(MAM)，这是一种通过添加原料金属一层一层地建立具有复杂几何形状的零件的技术。其目标是通过与其他制造技术的结合，克服其生产率低、冶金缺陷、粗糙表面质量和尺寸精度不足等限制，从而增加MAM的适用性领域。相反，基于MAM的杂交也可以被视为增加灵活性和减少传统制造过程中的材料浪费的一种方法(Lorenz, 2015)。
空气辅助射流电解加工原理及其在金属零件柔性高精度表面结构中的应用。
空气辅助射流ecm的原理如上图(左)所示。电解液射流垂直于工件表面喷射。在与周围空气的相互作用下，形成一个封闭的电解自由射流。因此电流被射流限制在一个有限的区域内，电流密度高，局部去除程度高，腐蚀局部化程度高，表面质量好。在空气辅助射流电解加工中，可以使用连续电流，与脉冲电解加工工艺相比，产生更高的去除率。原因是，使用射流可以提供充足的新鲜电解质，并能很好地去除反应产物。通过改变喷嘴位置和设置电流，可以很容易地生成微结构表面和复杂的三维微几何形状。
金属混合增材制造的最初发展是基于利用多种热能资源，并将MAM与金属切削相结合，以提高制造零件的生产率和质量。这些发展导致了第一个混合金属增材制造系统在2010年中期的商业化。
MAM与金属成形的结合是最近才出现的，最初的目的是通过局部塑性变形改善沉积材料层的形状，同时为构件提供更高的刚度和耐磨性。然而，基于MAM与成形相结合的杂化技术近年来得到了迅速发展和扩展，包含了从板料和大块金属成形过程中获得的新概念。
在这种情况下，本文的目的是对这一新出现的与MAM上的根杂交类型的最新进展进行综述。其内容可能被视为一个扩展先前的评论领域的HM如发表的Zhu等(2013)和Lauwers 等(2014),主要是集中在HM的根源主要加工原料,与减去制造业和其他传统的制造技术。
本文除引言外，分为三个主要部分。第一部分概述了不同的增材制造工艺，并讨论了其工作原理和主要特点，重点是那些适用于金属。第二部分回顾了基于金属混合增材制造的新发展的混合制造(HM)的早期分类。第三部分概述了金属混合增材制造领域的主要研究成果，特别关注于MAM与金属成形的结合，据笔者所知，Merklein等人(2016)的一篇论文仅对这一领域进行了部分论述。
2. 金属增材制造
2．1． 发展时间表一览
增材制造的第一次发展是在20世纪80年代早期，由Hideo Kodama完成的，他致力于利用紫外线固化聚合物和创造固体物体(Kodama, 1981)。然而，增材制造被认为是在20世纪80年代末出现的一种技术，由Charles Hull(1990)发展的立体光刻(SLA)和Scott Crump(1991)发展的熔融沉积材料(FDM)。这两种工艺都是在局部热源的帮助下，通过在薄的水平截面上分层聚合物来制造三维零件;在SLA中使用紫外光，在FDM中使用喷嘴热端。
20世纪90年代早期，第一台设备的商业化和使用允许内部制造聚合物原型，大大缩短了交付时间，这也解释了增材制造最初被称为“快速原型制造”的原因。从那时起，设备和材料方面的创新使得增材制造的应用领域得以显著扩展，从原型机扩展到面向客户的机械、电子、航空航天、汽车和医药等领域，使用了包括聚合物、陶瓷、复合材料和金属。
金属增材制造是最常用的工程材料，直到20世纪90年代初Ely Sachs及其同事开发了粘结剂喷射技术，金属增材制造才开始使用(Sachs等人，1993年)。使用喷墨式的打印机头喷射粘合剂，将连续的金属粉末层与粘合剂喷涂在一起，并将它们粘合成三维零件，这解释了术语“三维打印”(或简称为“3D打印”)作为“增材制造”的同义词的起源。
20世纪90年代中期，能够提供加工烧结或熔融状态金属粉末所需的大量能量的激光器的发展，为称为直接金属激光烧结(DMLS)的过程的发展铺平了道路(shellbear和Nyrhilä， 2004年)，以及第一个金属增材制造(MAM)设备的商业化。DMLS是选择性激光烧结金属技术(SLS)的延伸，该技术在20世纪80年代末由Carl Deckard(1989)开发，用于聚合物的增材制造(Ning等， 2005)。
20世纪90年代末，瑞典的Arcam公司推出了一种用于金属增材制造的电子束热能源(Larson, 1998)。
与激光的发展同时，Dickens等人(1992)提出了一种名为“3D焊接”的工艺，通过对传统焊接机进行改造并将其与机器人相结合，可以生产出接近成品的金属零件。该工艺为电弧和计算机辅助制造(CAM)软件的结合开辟了道路，以控制刀具路径以及焊机和送丝机的起止点，这些都是将模型转化为三维金属零件所需的。虽然Dickens等(1992)和Prinz &Weiss(1993)被认为是第一个开发电弧丝增材制造(WAAM)的人，但使用电弧作为热能来源和焊丝作为原料制造大型部件的工作原理在以前已经成功应用。
自这些开创性的突破以来，MAM领域有了重大的新发展和应用。在接下来的文章中，作者对不同的增材制造工艺进行了分类，解释了它们的工作原理，并讨论了其主要特点，重点是那些适用于金属的。
Wang等人将磨料电化学多丝切片作为进一步组合应用于太阳能硅锭加工，以提高表面完整性和材料去除率。
电解过程中修整(ELID)磨削的变种和应用实例。
在ECM和磨削的工艺组合中，Ohmori等人提出的电解过程中修整（ELID）技术也代表了一种主要的混合方法，具有不同的焦点。对于基础技术，如上图所示，砂轮上基于ECM的阳极氧化层生长的自我调节和通过磨削过程（ELID循环）同时机械去除该层结合了两种不同的物理活性原理。此外，冷却液中的氢氧化物离子和ELID氧化物颗粒可对工件侧的材料去除（降低工艺力、提高材料去除率）和表面质量（降低表面粗糙度值——“抛光研磨”具有镜面外观）产生积极影响。
2.2 分类
EN ISO/ASTM 52921(2015)标准将增材制造工艺分为七个不同的类别(图1)。其中四个类别现在被用于制造金属部件;粘结剂喷射(BJ)，粉末床融合(PBF)，薄板分层(SL)和直接能量沉积(DED)。其他三个类别;还原光聚合法(VP)、材料喷射法(MJ)和材料挤压法(ME)是间接增材制造技术的主要应用领域。
图1 增材制造的分类及其对制造金属部件的直接和间接适用性的识别(根据EN ISO/ASTM 52921(2015)标准修订)。
直接和间接金属增材制造(MAM)工艺之间的区别与对成品零件的使用有关。在直接MAM中，金属构件是最终产品，直接按照设计规范和要求制造。在间接MAM中，构建的部件由主模式或工具组成，随后被传统制造工艺用于获得最终的金属部件(Montero等人，2020年)。
因此，间接MAM无法与传统制造工艺分离，如熔模铸造、砂型铸造（Mitra 等，2019）、压铸和注射成型（León-Cabezas 等，2017），主要集中于非金属材料的3D打印，如聚合物、光聚合物、陶瓷、蜡、树脂和复合材料。
2.2.1 直接MAM
直接MAM包括四类，现在被用来建造金属部件(图1);粘结剂喷射(BJ)，粉末床融合(PBF)，薄板分层(SL)和直接能量沉积(DED)。
粘结剂喷射包括用液体粘合剂通过喷墨式打印机在搭建平台上喷涂固定的粉末松散床，以便将粉末一层一层地粘在一起形成一个横截面(Sachs等人，1993年)(图2a)。在每一层创建之后，建造的平台被降低，以允许下一层的形成，这个过程继续进行，直到获得一个低强度和大约60%的相对密度的“绿色部分”。然后在受控的气氛中加热绿色部分，去除粘合剂，并将单个粒子烧结(粘结)成一个“完全致密”的金属部分。
图2 介绍了几种增材制造的工作原理和主要术语。 (a)粘结剂喷射(BJ); (b)板层(SL); (c)摩擦堆焊(FS); (d)粉床融合; (e)直接能量沉积(DED)。
烧结过程中密度的增加是通过收缩和尺寸精度的损失获得的，这被认为是粘结剂喷射的主要缺点(Ziaee和Crane, 2019)。
薄板层压包括一层接一层的薄金属片(通过一个送料辊系统)，以建立一个单件，随后通过铣削成所需的零件(图2b)。胶粘剂粘接、超声波焊接和搅拌摩擦焊接可以将连续的板材相互连接起来(Derazkola等人，2020年)。
孔隙沿层边界积累的趋势和改变粒径分布的效果，以改善粘结剂/粉末润湿性和层间结合。(a) 5 μm单晶铜粉(b) 30 μm (73 vol %)和5 μm双峰铜粉
粘结剂液滴在粉床表面相互结合，形成大液珠，降低表面能。这些“球”可以形成液体弹珠，它由液体核和周围的粉末壳组成，经过干燥后可以形成空心颗粒。这些球通常会导致后续分层的困难。为了克服这一缺陷，需要改变液滴印刷图案或改善粉末/粘合剂系统的润湿性。改善润湿性可以通过改变粘结剂的表面张力、粘结剂粘度、粉末粒度分布和形状(见上图)，或将湿润剂涂覆粉末来实现。使用更小的液滴也可以提高液滴的渗透速率。
如今，搅拌摩擦焊接也开始与一种新兴的直接MAM相关联，称为“基于摩擦的增材制造”，它基于多层结构，使用金属原料而不是薄板(图2c)。该类别未在图1中列出(改编自EN ISO/ASTM 52921(2015)标准)，包括增材摩擦搅拌(AFS)和摩擦堆焊(FS)。
AFS使用一种非消耗性管状工具来产生热量，并通过金属粉末的塑性变形来实现固结，这些金属粉末流经管状材料并沉积在基板上。FS最初是作为一种表面涂层工艺开发的(Palanivel和Mishra, 2017)，它使用一种金属消耗性棒，旋转并压在基板上，生成连续的边界层来建造零件。
粉末床熔合制造金属部件的方法是将其几何形状分层，并通过聚焦的热能源在搭建平台上一次将单个粉末颗粒一层叠加在一起(图2d) (Bhavar等人，2014)。其加工路线与BJ相似，因为粉末在构建平台内保持静止，并根据预定义的二维路径一层一层地选择性粘合，直到获得所需的零件形状和高度。然而，与使用液体粘结剂的BJ不同，PBF使用热能将单个粉末粒子熔合在一起。
直接能量沉积通过喷嘴将粉末或金属丝送入构建部分，在那里通过聚焦的热能源熔化金属部件(图2e) (Saboori等人，2017)。该工艺避开了粘合剂的使用，与PBF不同的是，因为原料通过给料装置流动，并在沉积的准确时间熔化，而不是在零件建造过程中，一层一层地在建造平台内保持静态。
与粘结剂喷射(BJ)和薄板层压(SL)相比，它们的商业应用数量有限(DebRoy等(2018)，粉末床融合(PBF)和直接能量沉积(DED)在三维金属构件构建中具有广泛的适用性。本节末尾将提供关于粉末床融合和直接能量沉积过程的额外信息，因为它们在MAM中发挥着关键作用。
2.2.2. 间接MAM
间接MAM包括三大类，主要用于制造由金属和/或陶瓷粉末与聚合物的混合物制成的聚合物和高填充聚合物部件(图1);还原光聚合(VP)、材料喷射(MJ)和材料挤压(ME)。这些工艺在制造纯金属或合金金属零件方面的适用性很有限。
还原光聚合通过光激活聚合(紫外光)，通过选择性固化和交联(通过交联)特殊液体树脂(称为光聚合体)粘合在一起，创造出三维零件。这一类包括基于激光的工艺，如立体光刻(SLA)和直接光处理(DLP)，这些工艺是通过建立单一光致聚合物层(SLA)或完整的二维图案(DLP)来完成的，同时集成一种重涂机制(Appuhamillage等人，2019年)。一种称为双光子光刻的变体可用于高精度构建，其中紫外线诱导聚合仅发生在两束激光束之间的干涉区域(Oran等人，2018)。
光致聚合物的主要缺点是其成本高于热塑性塑料，而且其结构强度不足，导致零件随着时间的推移而降解和变形。
材料喷射是通过将液体光聚树脂滴一层一层地(通过喷墨式的打印机头)沉积，然后在紫外线照射下固化并粘合在一起(Yap等人，2017年)来制造零件的。流程使用相同类型的打印机头粘结剂喷射技术虽然粘结剂喷射液体粘合剂固定存款松散的粉末放在床上,构建平台为了巩固的截面部分,一层又一层,直接喷射沉积材料建设材料部分在建。
基准A和(b)匹配零件之间最小间隙的基准b滑动槽特性中的气缸保持不变，只有滑动槽和气缸之间的间隙在0.05 mm到0.9 mm之间变化。
AM可以构建工作组件作为一个单独的组件，消除了为一个功能产品组装各种组件的需要。两个移动部件之间的指定间隙取决于AM工艺的限制，包括层厚和粉末或液滴大小，以及后清洗工艺，包括移除移动部件之间形成的支撑材料或支撑结构的能力。研究人员研究设计了两个基准件，以研究最典型的配合件之间的最小间隙，包括滑动槽、轴和孔，以及沿不同轴线的相邻立方体，如上图所示。
基于材料喷射的增材制造工艺是最精确的制造工艺之一，能够制造出具有精细细节和高精度的光滑表面。然而，由于光致聚合物的成本、强度的限制以及加工时间较长导致零件尺寸的限制，其应用受到了限制。后者可以通过使用两个或多个打印头来避免。例如，一种名为“按需滴注”(drop-on-demand, DOD)的工艺用于生产熔模铸造的聚合物图案，该工艺使用两个打印头;一种用于沉积建筑材料，另一种用于沉积可溶解的支撑结构，有利于三维打印路径的整体设计(Li et al.， 2014)。
材料挤压过程中，通过连续不断地将聚合物推入加热的喷嘴，一层一层地沉积热塑性聚合物，形成三维零件(Gonzalez-Gutierrez等人，2018年)。在熔融灯丝制造(FFF)中，材料挤压是通过驱动轮将灯丝推入液化器，然后进入喷嘴进行后续沉积。这种技术对于加工大量的热塑性材料非常有效，但前提是原料细丝可以适当地卷绕，并且有足够的刚性，可以由驱动轮推动。之前在2.1节中提到的熔融沉积建模(FDM)是属于这一范畴的另一个重要过程。
材料挤压工艺不像其他增材制造工艺那样快速或准确。然而，由于尼龙和ABS等热塑性材料的成本低廉，它们在非功能性原型的成本效益制造方面的应用相对广泛。
2．3. 粉末床融合和直接能量沉积
图3给出了上述粉末床融合(PBF)和直接能量沉积(DED)两类主要MAM过程的分类。该分类区分用于加热原料的热能来源类型(激光束、电子束和电弧)和提供的原料格式(粉末和线材)。
图3 金属增材制造(MAM)工艺的分类属于两类(PBF和DED)，在三维金属零件的构建中有着广泛的应用。
基于电弧的MAM工艺被分组在从DED中提取的单独子类别下，命名为“丝弧增材制造”(WAAM)。
2.3.1 PBF-based流程
图3所示的两种基于ppf的过程;激光粉床融合(LPBF)和电子束粉床融合(EBPBF)可用于制造分辨率高的复杂原型和最终用途金属零件，减少材料浪费，有效回收未熔化的粉末。它们主要是由热能来源区分的。
激光粉末床熔合(LPBF)是最古老的MAM工艺之一，它利用激光束热能源选择性地将粉末逐层熔合并固化成固体形状(图4a)。反射镜用于在氩气或氮气控制的环境气氛中根据预先定义的二维扫描路径移动激光束，这取决于金属是否反应性(Pragana等人，2020年)。
图4 以下基于pbf的流程的工作原理示意图。 (a)激光粉床融合(LPBF); (b)电子束粉末床聚变(EBPBF)。
LPBF是一种成熟的MAM工艺，有大量的文献关注由各种金属合金制成的成品零件的最终性能(Bhavar等人，2014)。该工艺的广泛应用，加上制造商不断改进的设备，使得如今的沉积速率可达0.1 kg/h，表面粗糙度范围在10-20 μm。这解释了近年来LPBF设备销量的指数增长(Wohlers，2017年)。
电子束粉末床熔合(EBPBF)的工作原理与LPBF相似，主要区别在于，EBPBF熔合粉末的热能来源是电子束而不是激光束(图4b)。由于电子束是在受控的真空条件下产生的，并通过电磁透镜而不是镜子来聚焦和偏转，所以热能来源的改变伴随着设备的其他几项修改。需要将原料预热到其熔化温度的0.5 - 0.6左右，以避免因静电充电(所谓的“粉末推开现象”)引起的粉末扩散(Murr等人，2012年)。
无论在研究还是在工业上，EBPBF的应用都不如LPBF广泛。尽管如此，EBPBF已经为某些工业应用铺平了道路，特别是当涉及到处理难加工的材料，如钴和镍合金、钛铝化物、铌，甚至蜂窝材料(Körner, 2016)。EBPBF的最大沉积速率略高于LBBF，表面粗糙度在15 ~ 30 μm范围内，沉积速率可达0.2 kg/h。
来源：Hybrid metal additive manufacturing: A state–of–the-art review，Advances inIndustrial and Manufacturing Engineering，doi.org/10.1016/j.aime.2021.100032
参考文献：Applications of laser assisted metal rapid tooling process tomanufacture of molding & forming tools—state of the art，Int. J.Precis. Eng. Manuf., 12 (5) (2011), pp. 925-938, 10.1007/S12541-011-0125-5
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