随着近年来航空航天、汽车和模具工业的技术进步，零件的结构和形状越来越复杂，材料越来越难加工，因此传统的金属切削加工方法受到严峻的挑战。增材制造/3D打印可构建复杂形状的产品，最有效地发挥材料特性，为产品设计优化带来了空间，因此日益受到制造企业的重视。

在这一趋势下，越来越多的机床制造商进入到金属增材制造领域，在他们之中，有的企业推出基于数控加工中心的增材、减材混合制造设备，有的直接进入全新的3D打印领域，推出金属3D打印设备，有的企业则选择与3D打印企业合作，共同推出金属3D打印设备，并将设备与现有的制造设备进行无缝衔接。

根据3D科学谷的市场观察，自2013年以来，推出混合制造设备的机床制造商数量已超过10个。本期，3D科学谷将混合制造设备品牌以及他们在金属3D打印技术方面的进展进行了盘点。

常见的集成了金属3D打印技术的混合制造设备可以归为三类：基于定向能量沉积工艺的金属3D打印和铣削混合加工；基于粉末床工艺的选区激光熔化3D打印和铣削混合加工；超声3D打印和铣削混合加工。

定向能量沉积3D打印与铣削

德马吉森精机/DMG MORI

DMG MORI 是世界领先的机床制造商。DMG MORI的Sauer工厂在几年前开发了混合型增材制造设备LASERTEC 65 3D，该设备在5轴数控加工中心上组合了激光沉积焊接（3D打印）功能，在2017年DMGMORI 又通过对Realizer的收购进入到了粉末床选区激光熔化3D打印领域。

图：DMG MORI LASERTEC 65 3D Hybrid 制造的零件

DMG MORI 在以上两种金属3D打印技术解决方案的基础上，推出了四条不同的增材、减材整合制造工艺链，工艺链包括金属3D打印设备和机械加工设备，还包括相应的管理系统。DMG MORI 的两种基于激光沉积焊接3D打印技术的加工设备，配有Siemens NX additive/ hybrid(西门子NX 增材/混合)系统，材料数据库的技术参数，过程监控和文档。

图：DMG MORI 四条增材、减材整合制造工艺链

在DMG MORI 的四条增材、减材整合制造工艺链中，其中一条工艺链所包括的3D打印设备就是两种混合型增材制造设备-LASERTEC 65 3D hybrid 和LASERTEC 4300 3D hybrid。 LASERTEC 65 3Dhybrid 集成了激光沉积焊增材制造工艺与5轴加工工艺，LASERTEC4300 3D hybrid 则集成了激光沉积焊增材制造工艺与DMG MORI 的车铣复合加工工艺，可进行六面车铣加工。设备带有过程监控和自适应过程控制（闭环），DMG MORI 的CELOS软件还可以连续测量和监控激光堆积过程，并实时自动调节激光功率，以实现均匀的零件质量。

马扎克/Mazak

机床制造商马扎克在2014年推出国一款混合制造设备-INTEGREX i-400 AM。Integrex i-400am是金属3D打印技术和车铣复合加工的混合设备，特别针对于小批量生产的难加工材料，如航空航天零部件耐热合金的加工，能源领域工具和零部件的高硬度材料的加工，医疗设备制造中的高精度特种合金的加工。

图：Mazak INTEGREX i-400 AM

INTEGREX i-400中的金属3D打印技术属于定向能量沉积工艺，采用光纤激光热熔化金属粉末，金属3D打印喷嘴逐层施加熔融材料，每个熔融材料随着所需形状的增长而固化，该工艺可用于修复磨损部件，如航空涡轮叶片。

哈默/Hermle

德国哈默的混合制造设备MPA40 是立式铣床主轴旁边安装了一个喷射粉末的喷嘴，而在第四、第五轴转台上安装了加热器。在运行过程中，机器根据CAD文件的信息用高热蒸汽推动悬浮在氮气中的金属粉末，并通过一个名叫de Laval的喷嘴以声速的三倍速度喷射到构建对象上，可达到10京帕的压力和高达1000摄氏度的高温。

图：Hermle的MPA工艺

如此巨大的冲击力和由此产生的高温高压，导致单个金属颗粒剧烈变形，并被粘合接触面上。这种“微锻造”可实现多达六种不同的金属进行层积。该MPA技术能够处理的材料，包括热作模具钢、不锈钢、纯铜、铜、钛和铝等材料。MPA 40可处理的零部件最大尺寸可达550毫米/高和460毫米/直径，重量可达600公斤。

Optomec

Optomec是定向能量沉积3D打印技术设备制造商之一，拥有自有的LENS（激光近净成型）技术。 Optomec在最近开始提供增材、减材混合制造设备，售价低于25万美元。Optomec推出的其中一款新混合制造设备为Optomec LENS 860混合CA系统，该设备集成了LENS 3D打印技术和铣削。

图：Optomec LENS 混合系统

这款混合制造设备具有860 x 600 x 610mm的工作范围，它配备了一个密封的构建室，用于制造钛等活性金属。该系统可配置闭环控制和高功率3kW光纤激光器，适合构建、修复或涂覆中型到大型金属部件。

Hybrid Manufacturing Technologies

美国混合制造技术公司有一种混合增材制造系统-AMBIT，该体统能够实现从金属3D打印、切削、检测之间自动切换，切换过程与机床更换刀具类似，从而实现增材制造技术和精密加工技术的无缝集成。

图：AMBIT 系统中的激光3D打印头

最新推出的AMBIT Series7 系统能够实现七种制造技术的集成。与不同制造工艺的集成，为金属零件生产带来了新机会。AMBIT 系统中的金属3D打印技术为基于定向能量沉积工艺的3D打印堆焊头。新系统中集成的涡流检测头用于金属沉积质量的原位检测，检测头针对检测表面和表面下裂缝进行了优化，并使用频率达5MHz的一系列探头检测多层深度空隙。

西门子

虽然西门子不是混合制造设备的生产商，但西门子的软件在增材、减材混合制造中发挥了重要作用。大多数混合制造系统利用定向能量沉积工艺，软件对于实现和优化零件几何形状变得至关重要。

图：用于定向能量沉积3D打印的Siemens NX 系统

西门子的混合制造系统Siemens NX Complete Hybrid CAD /CAM ，是用于整个工艺链（设计，添加工艺，减法加工，精加工）的单一软件包，该系统用于计算增材制造的激光路径和减材加工的切削刀具路径。该系统通过工件、夹具和整个设备的数字双胞胎准备完整的制造过程。

Siemens NX Complete Hybrid CAD / CAM系统在完全集成的“designthrough-CNC”编程解决方案中提供混合增材制造的功能，包括用于集成激光粉末包覆和铣削的后处理和加工模拟。

选区激光熔化3D打印与铣削

松浦/Matsuura

日本松浦是自动化多托盘，多轴和多任务数控机床及其相关制造工艺解决方案领域的市场领导者，也是第一家提供选区激光熔化3D打印和铣削加工混合制造设备的机床制造商。

图：Matsuura LUMEX 60 系统

松浦推出的第一台混合制造设备为LUMEX Avance-25，该设备集成了选区激光熔化3D打印技术和高速铣削主轴。该设备在加工时，先进行3D打印，然后借助高速铣削精加工整个零件或其部分表面以获得高精度和高表面质量。其原理是每打印10层（约0.5mm~2mm）形成一金属薄片后，用高速铣削（主轴45000r/min）对其轮廓精加工一次，再打印10层，再精铣轮廓，不断重复，最终叠加成为高精度、结构复杂的零件。[1]

LUMEX Avance-60是该系列中的第二台混合制造设备，与LUMEX Avance-25采用相同技术，同时具有更大的加工空间和工作范围。

沙迪克/Sodick

日本Sodick在2017年推出混合制造设备OPM250L和OPM 350L，与松浦混合制造设备采用类似的技术，采用了选区激光熔化3D打印技术和铣削技术。

图：Sodick混合制造设备中的金属3D打印粉末床

Sodick的混合制造设备在应用方面专注于制造带有随形冷却通道的一体式注塑模具，从根本上改变塑料产品模具的创建方式。通过在同一台机器内进行选择性激光熔化和高速铣削，OPM系列产品可以加工复杂的一体式金属模具，这是传统方式无法实现的。

Sodick混合制造设备采用500W的光纤激光器实现金属3D打印，用于熔化和固化金属粉末。OPM系列采用45000 min-1主轴，采用Sodick的非接触式刚性直线电机驱动，实现高速和高精度加工。设备还配置了自动换刀装置（ATC）和自动刀具长度测量装置，能够实现长时间连续自动操作。

超声波焊接技术与铣削

Fabrisonic

Fabrisonic的超声波焊接技术（UAM）是一种独特的金属增材制造技术。UAM技术中使用超声波去熔融用普通金属薄片拉出的金属层，从而完成金属部件的增材制造（3D打印）。该方法能够实现真正冶金学意义上的粘合，并可以使用各种金属材料如铝、铜、不锈钢和钛等。Fabrisonic的方法可以同时“打印”多金属材料，该工艺能够使用成卷的铝或铜质金属箔片制造出带有高度复杂内部通道的金属部件。

图：Fabrisonic 为NASA JPL制造的零件

UAM的制造过程包括通过使用频率高达2万赫兹超声波施加在金属片上，用超声波的振荡能量使两个需焊接的表面摩擦，构成分子层间的熔合，然后以同样的原理逐层连续焊接金属片。之后，通过机械加工来实现精细的3D形状，从而形成坚实的金属物体。

混合制造工具集成商3D-Hybrid

在这个众多提供混合制造技术的公司中，3D-Hybrid是唯一的混合制造工具集成商，几乎可以为任何CNC机床提供多种金属沉积技术。3D Hybrid的目标是将先进的金属增材制造（3D打印）技术应用于突破性的应用。该公司现在为CNC机床提供三种基于定向能量沉积的金属3D打印技术，这三种技术虽然同为定向能量沉积工艺，但分别采用电气、激光和动力学作为能量源。

图：3D Hybrid 冷喷工具 ，可集成在CNC 机床中

目前最常用的定向能量沉积3D打印技术是基于激光的，3D Hybrid 可以针对特定应用提供定制化的激光定向能量沉积3D打印技术，这种激光3D打印处理头可以集成在CNC机床、机器人或者是其他运动系统中。

另一种快速发展的金属沉积3D打印技术是ARC焊接，ARC技术可以增材制造最广泛的合金材料。 3D Hybrid正在申请专利一种ARC技术是可以建立在先进的放电技术基础之上。

3D-Hybrid还有另一种金属沉积增材制造工艺是Cold Spray（冷喷）。这是一种最初为轴涂层应用而开发的工艺，该工艺使用固体粉末，在气体中加速至超音速，速度约为1600-3500英尺/秒。在与基板撞击时，当工具围绕表面移动时，颗粒塑性变形并与基板结合。冷喷涂技术的沉积速率通常约为5磅/小时，适用的合金材料包括铜，镍，铝，钛，铌，金属基复合材料和钽。3D-Hybrid 的Cold Spray技术针对高速和更硬的合金沉积需求而设计。

参考资料：

[1] 张曙教授，同济大学现代制造技术研究所，《增材制造和切削混合加工机床增材制造和切削混合加工机床》。

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