想象一下，你要制造一个放在瓶子中的船模，但你并不是利用一个现成的瓶子，而是对船模和瓶子一起进行成型，并在造型的同时，对船模和瓶子表面进行切削加工。
增材与减材制造相结合的混合加工做一个类比。用3D打印机也能打印出瓶中的船模，但无法将其拿到加工中心或车床上进行后续加工，因为现在其形状特征已被封闭在瓶子中。
为了实现混合加工，德马吉森精机推出了LaserTec 65 3D混合型机床。该机床将激光沉积功能集成融入五轴数控铣床之中，并具有直径500mm、长度360mm的工作空间。此外，该公司计划今年（2015年）推出LaserTec 4300 3D机型，它将同样的增材制造装置集成到铣/车复合机床之中，可以加工直径达660mm、长度达1500mm的工件。
图1 DMG Mori的LaserTec 65 3D混合型机床 该机床采用的激光沉积工艺并不是在一块底板上对金属粉末进行激光烧结，而是将金属合金粉末喷到激光器的焦点处（激光器聚焦于工件或基体表面），使其完全熔化。金属粉末与激光器共焦，因此激光可将粉末加热熔化。基体表面也有薄薄的一层被熔化，因此粉末可与基体充分结合在一起。
虽然LaserTec机床可在底板上从无到有打印出一个零件，并在造型过程中加工出所需几何特征，但它也可以在已有的锻件、铸件或棒料上进行打印，然后加工出所需特征。在有些情况下，沉积的金属粉末量约占从无到有制成整个零件所需材料量的5％。
机床经销商MC机械公司也销售一款由日本松浦（Matsuura）公司开发的混合型机床——Lumex Avance-25。虽然该机床的增材制造部分被称为直接金属激光烧结（DMLS），但实际上该名称并不准确。MC公司其实用激光将材料熔结到一起。而烧结工艺则是另一回事，生产硬质合金就是烧结的典型例子，它是将几种不同的元素混合在一起，然后对其加热和加压，使其粘结成型。
图2 在松浦Lumex Avance-25混合型机床上制造的模具 DMLS工艺首先需要将一块底板（磨平的热轧钢板）用螺栓固定在机床工作台上。加工时，一根挤压棒在底板上将金属粉末沉积和挤压成厚度为50μm的薄层，激光则按照该零件的数控加工程序加热熔融金属粉末，然后工作台下降50μm，并在前一层材料表面挤压和熔融另一层金属粉末。
通常在打印了10层材料后（有时可能层数不同），该机床就要以高达45000r/min的转速对工件进行粗铣和半精铣加工。半精加工刀具在工件每一侧都要留出大约0.038mm的余量。在接下来的10层材料被沉积和熔融后，也要对其进行粗铣和半精铣加工，然后用削柄铣刀进行精铣加工。这样做的原因是，每次开始打印新的一组（10层）材料时，其边缘往往会略微收缩。因此每打印10层材料就要进行一次切削加工，以去除层间界线。对于刚打印出来的工件廓形，总是需要进行精铣加工。
图3 在Lumex Avance-25机床上激光烧结成型的零件（左）和经过烧结和切削加工的零件（右） 与其他混合加工工艺类似，采用DMLS工艺也能打印出保形内部冷却通道和厚度仅为0.711mm的深肋板，而无需在放电加工（EDM）机床上用专门设计的电极来加工这些特征。该工艺还能消除模具分型，这意味着可用单一成型件取代多件组装件，从而节省大量装配时间，减轻零件重量和避免制造多件组装件的复杂性。放电加工也可以用于混合加工，但为了将加工完的零件从底板上切下来，必须采用线切割方式。
采用热熔成型工艺制造粉末金属（P/M）零件效果很好，但该工艺并不一定适合其他一些加工。创建仅3年的Fabrisonic公司开发了另一种无需熔化金属的3D打印方法。该方法同样也能集成到铣床上进行混合加工。该公司将电子工业一直用于焊接不同类型金属材料的超声焊接技术从微型加工层面扩大到可在一台工作空间达1.829m×1.829m的机床上生产零件。
Fabrisonic公司的超声增材制造（UAM）技术能以每小时381-508mm3的成型速度，用一个焊接头将厚度为0.152mm的金属箔一层一层地焊接到一起。由于非真空环境中金属表面形成的氧化层会造成焊接不牢，因此UAM工艺利用20kHz的超声振动擦除金属箔上的氧化层，使未氧化的纯金属与纯金属，甚至不同类型的金属相互结合，以获得特定的工程特性。
图4 Fabrisonic公司的UAM技术用一个焊接头将各层金属箔结合在一起 如果将钛和铝加热熔化，然后重新凝固，最终会得到几乎像玻璃一样脆的金属间化合物。UAM工艺由于无需熔化金属，因此能在各层界面处实现固态冶金结合，而不会形成脆性金属间化合物。
UAM工艺并非真正的冷焊，而是需要在93.3℃-121.1℃的温度和454kg的压力下才能实现各层材料的结合，但为了避免改变材料的冶金或晶粒结构，并能在零件中嵌入电子器件，必须确保工作温度不能太高。不过，焊接头施加的作用力可能会对无支撑的悬伸特征造成一些问题。为了克服这些难题，Fabrisonic公司通常会用专用立铣刀来加工悬伸特征，采用一些加工技巧，例如通过数控加工（而非3D打印）方式来获得内凹结构。该技术的另一个用途是制造温控器件（如用于服务器群的热交换器）。Fabrisonic公司可以用铜来制造热交换器热源部位的零件，用重量较轻的铝来制造结构件，或用钢来制造安装零件。
图5 由于无需熔化金属，UAM技术使用户可将电子器件嵌入零件之中 除了销售混合型机床以外，Fabrisonic公司还为客户生产零部件，并且每年的增长率都达到两位数。
柔性机器人环境（FRE）公司总裁、南达科他州矿业技术学院机械工程系教授Vojislav Kalanovic博士用“像搭乐高积木一样灵活”来形容该公司的VDK6000混合型六轴机器人加工中心如何为适应特定的加工任务而分配其自由度和工作空间。标准的增材制造系统有6个自由度，可以打印各种复杂零件，并同步操纵终端执行器在三维空间中移动，实现打印头相对于工件的全方位定向和定位。
该加工单元的配置可高可低，例如，预算紧张的用户开始可以只配置3个自由度，以后再根据需要增加其他自由度，并且具有6个自由度的加工单元还可以额外配置一个冗余轴。此外，该加工单元的换刀机械手有4个工位，适用于不同的增材制造工艺，如等离子焊接、冷喷涂或直接金属激光沉积（DMLD），而且还可以扩展到8个工位。
VDK6000的减材制造部分可以进行铣削、钻削、磨削和抛光加工，还能在加工后对零件进行超声检测和验证。用户可以组合应用多种工艺，模仿一个小型工厂的功能，这能节省大量时间，并能在一副夹具上完成通常需要在多种机床上才能完成的加工任务。
图6 VDK6000机器人加工中心的换刀机械手有4个增材制造工位 购买该加工单元可能需要耗资60万-130万美元，其投资回收期约为12-14个月。该加工单元的体积约为4m×5m×4.5m，最大工作空间为1.2m×1.2m×0.9m。除了制造零件以外，它还能对重达80kg的零件进行修复加工。
为了控制成本，确保零件功能符合设计要求，以及保护操作者的人身安全，除了需要了解成型工艺以外，具备增材制造所需材料的相关知识也至关重要。
用松浦的混合型机床加工时，只消耗用于形成零件的材料，而成型室（其大小为254mm×254mm×177.8mm）中未使用的金属粉末均可回收再用。制造零件常用的钢粉（相当于H-13钢）价格昂贵（每公斤约为430美元），这部分是因为其粒度较小（20—45μm），可提高零件表面光洁度，因此对其回收利用可以节约大量成本。
一般来说，由于材料成本较高，因此用该机床制造由多种材料构成的零部件有些不切实际，因为一种粉末会在成型室中与其他种类的粉末混杂在一起，从而使这些粉末无法再次使用。
由于钢粉的晶粒结构与整块钢材不同，因此热加工后不会发生翘曲，但其体积会均匀且可预测地收缩0.08%-0.1%，因此成型加工时需要额外增加一些材料。
对于不同类型的金属粉末，需要采用不同的加工参数。如果所用激光束加热不足，或移动速度过快，都无法获得合适的熔体密度。对于每种类型的粉末材料，都必须确定合理的熔融参数。
有些金属粉末需要的不仅仅是合理的熔融参数。对于一些易燃金属粉末（如钛粉和铝粉），还必须配备通风和吸尘设施。此外，由于一些金属粉末（如钛粉）不能暴露于氧气中，因此在Lumex Avance-25机床上，从封装到制成零件的整个处理过程都必须在100％的氩气环境中进行。这是因为，一旦钛粉接触空气或水，就会开始从空气或水中吸收氧原子，并生成具有高爆燃性的氢气。即便是用于清洁机床的真空吸尘器，也必须采用特定类型的湿式吸尘系统。
当加工所用的金属粉末粒度较大时，其处理和回收特性也会随之改变。LaserTec技术使用的是粒度相对较大（50-200μm）的金属粉末，与使用粒度更小的粉末相比，可以降低材料成本和易燃粉末发生燃烧和爆炸的风险。对于镁、钛、铝和其他化学特性活跃的金属粉末，仍然需要采取专门的预防措施，但其危险性远没有超细粉末的危险性大。
由于这种粒度的高温合金粉末每磅单价只略高于棒料或板材，因此可以在LaserTec机床上经济地生产多材质零部件。此外，合金粉末的粒度越小，价格就越贵。在零件成型过程中，损失的粉末材料通常只占15%-20%，因此可以不考虑回收问题。过滤和净化粉末所花的成本和精力使回收变得无利可图。
在已有的铸件或锻件上进行成型打印也可以减少金属粉末的消耗量，从而降低生产成本。这可使混合加工技术适用于至少中等批量的生产。该技术还能为快速成型加工增值，此类加工的目标并不是提高产量，而是通过加快原型改进的迭代过程，更快将新产品推向市场。利用混合型机床，可以大大缩短从设计创意到产品零件的开发周期。
文章来源：工具技术
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