如何在生产中结合增材制造和减材制造？专家给出建议！

导读：近年来，增材制造和减材制造的结合越来越受欢迎，在全球范围内产生了重大影响。由于多项技术进步，许多行业已经受益于所谓的“混合制造”来制造最终零件。事实上，尽管两种生产方法之间存在差异，但它们可以以互补的方式使用，以充分利用它们。然而，为了能够在生产中实施这些技术，准确了解这些技术的组成部分非常重要。

针对于上述问题，南极熊在本期文章中总结了三位国外制造业专家（人员名单见下图）的意见，他们就如何在生产链中最佳地实施增材和减材制造向我们提供了详细的意见和建议。

△彼得·吉诺维斯、埃琳娜·洛佩兹和布赖恩·克里斯塔波尼斯

第一位专家是SolidCAM Additive 3D 打印应用工程师彼得·吉诺维斯（Peter Genovese ）。他从事增材技术工作已近十年，并利用自己的专业经验来确定增材技术如何最适合各种制造环境。接下来，埃琳娜·洛佩兹（Elena Lopez）担任 Fraunhofer IWS 增材制造部门的负责人。她还是增材制造领域的兼职教授，并担任 Women in 3D Printing 欧洲区域总监。最后，布莱恩·克里斯塔波尼斯 (Brian Kristaponis) 是飞利浦 ( Phillips)混合部门的总经理，飞利浦 (Phillips) 是一家为各种市场提供制造解决方案和新技术的领先供应商。

增材制造和减材制造的特点

在讨论如何实施混合制造之前，了解两种方法之间的显着差异非常重要。增材制造由一层一层地分层材料组成，直到创建出所需的零件。在常见的 3D 打印技术系列中，包括：材料挤出、材料喷射、粘合剂喷射、槽光聚合、粉末床熔融、定向能量沉积 (DED)和片材层压。同时，减材制造包括通过从块或较大零件中提取材料来制造零件。这些减材加工包括数控加工（铣削、车削、钻孔、镗孔、镗孔、磨削）、激光切割、放电加工和水射流切割。

这两种制造工艺都有其优点和局限性，因此有必要了解它们，以便了解每种情况下使用什么。现在让我们看看公司通过结合这两种技术可以获得的好处。SolidCAM 专家 Peter Genovese 解释说：“这种混合制造的主要优点之一是能够使用 3D 打印首先打印非常复杂的有机几何形状，否则仅通过减材加工来生产这种几何形状是不可能的或成本过高。然后，使用减材加工来获得零件关键特征所需的高水平尺寸精度和严格公差。”换句话说，混合制造将增材制造和减材制造相结合，充分利用两种工艺的优点并将它们整合到一台机器中，从而使混合生产更快、更轻松地为最苛刻的行业制造最终零件。

就整个工艺而言，Brian Kristaponis 补充道：“混合工艺可以减少所需原材料的数量，从而减少创建近净形状的周期时间。它可以实现内部几何形状，减少对特定尺寸原材料的需求，并通过消除粗加工过程来降低总体模具成本。” 此外，值得注意的是选择正确的工艺（加法和减法）以充分利用每个特定应用的重要性。

△A. 减材制造工艺/B. 增材制造工艺。

如果我们专门关注 3D 打印，我们会发现每种技术都有其关键特征，这些特征将影响其作为减材制造的补充的使用。Elena Lopez 也指出了这一点，她解释说：“并非所有增材制造技术都适合提高零件的可扩展性或以便捷的方式进行维修。” 在这种选择中需要考虑的因素包括：增材工艺的分辨率或公差、与技术兼容的材料以及零件特定后处理的需要。下面将更详细地讨论后处理。

混合制造：需要考虑的其他方面

除了制造过程本身之外，还必须了解生产链中其他方面的重要性。在谈论混合制造时，第一步（设计）和最后一步（后处理）发挥着关键作用。详细了解这两种工艺的功能将使公司能够充分利用增材和减材生产来制造最佳的最终零件。

设计阶段通常直接取决于用于创建零件的制造工艺。埃琳娜和彼得都同意增材制造和减材制造在设计方面分别遇到更多限制。洛佩兹解释说：“并非所有设计都可以在数控机床上加工。特别复杂的内部结构可能不是最合理的方法。”

对此，吉诺维斯则表示：“一般来说，对于CNC 加工，随着设计复杂性的增加，加工该零件的难度也会增加。 另一方面，对于增材制造，在很多情况下零件复杂性的增加并不会导致制造更加复杂。”

Kristaponis 最后提到了混合制造中的设计流程：“内部特征的复杂性非常适合混合流程。使用混合制造模式，您可以在整个过程中重复沉积和加工。这使我们能够生产具有高质量机加工内部特征的零件，这是严格的增材制造或 CNC 工艺无法实现的。” 因此，通过结合这两种技术，设计人员可以更自由地根据零件性能设计零件，而不必受到单一制造方法的限制。

△设计是混合制造的一个重要阶段（照片来源：nTopology）

另一方面，还有后期处理。此步骤在大多数制造过程中至关重要，因为它可以使零件具有更好的表面光洁度，或者在某些情况下，可以增强其机械性能，以满足更苛刻的应用。从这个意义上说，三位专家一致认为，这是一个至关重要的考虑因素，不仅是在获得零件之后，甚至是在获得零件之前。设计模型时必须考虑要实施的后处理类型，因为零件的形态可能会有所不同。事实上，洛佩兹解释说：“根据所使用的混合工艺，预期的表面粗糙度可能与简单的 3D 打印工艺不同。如果使用减材技术，则在设计和加工路线中必须考虑要去除的材料量。”

吉诺维斯同意这一点，但也提到了零件公差：“要记住的一件事是，您经常可以打印无法加工的形状。如果您需要对零件进行后加工以达到关键公差，请确保在使用更传统的减材技术打印零件后可以访问这些位置。最后，布莱恩针对后处理问题提出了看法，总结道：“理想情况下，您希望生成一个在所有方向上材料数量均匀的近净形状。这使得加工过程更加可预测，并可以减少加工时间，因为可以减少或省略半精加工操作。”最后一点很有趣，因为否则我们会遇到某些问题。如果零件未成型，则并不总是可以重新沉积它，这会导致零件不符合公差。

△在混合制造中，后处理用于获得所需的表面光洁度。对于金属技术，它是通过数控加工等技术来完成的

最后几句话的建议

“向已经走过这条路的人伸出援手，帮助指导您走上自己的旅程。增材制造和数控加工的世界极其广阔。仅仅知道有哪些选项，更不用说如何一起利用这些选项，是一项非常困难的任务。寻找与您类似的行业中在混合制造方面取得成功的顾问或公司是帮助您筛选所有选项的绝佳资源。” ——彼得·吉诺维斯

“你必须仔细分析预期的用例并评估什么对他们来说最重要。添加数控加工技术需要雇用或培训这些其他技术的专家。混合制造解决方案可能不是最具成本效益的，但它可以为未来的应用增加灵活性。” ——埃琳娜·洛佩兹

“对于使用 CNC 机床作为运动控制系统的混合机床，您需要一个能够同等支持这两种技术的 CAM 软件解决方案。随着更多的机器进入市场，软件公司将投入更多的资源，使这些机器的编程变得更容易、更快捷，并实现增材和减材之间的无缝集成。” ——布莱恩·克里斯塔波尼斯