3D打印应该是自PC以来最大的技术变革者。但过去三十年我们得到了什么？小饰品、艺术项目、原型和若干医疗或航空航天设施。我们什么时候才能看到真正的增材制造？

　　也许这么说并不客观。工业3D打印的增长已经足够快了，毕竟我们已经从制造带有拼凑在一起的桌面装置的PLA原型发展到在工业级3D打印机上制造生产级零件了。

　　但如果你认为我们已经接近3D打印可以用于大规模生产的极限，那还早着呢--技术需要时间来成熟，并且它会像青少年一样--总会经历一个并不被理解甚至不看好的阶段。

　　在增材制造还没成熟的眼下，也许我们可以优先考虑一下混合制造？

　　理解混合制造的最简单方法是将添加工艺--3D打印（在生产环境中也称为增材制造）和减成工艺（例如铣削）相结合。尽管有许多零件是通过这些工艺的某些组合来制造的--而且一直在引入更多零件生产中--但“混合制造”的关键条件是，这两种工艺都在同一台机器上进行。

制造封闭式叶轮的生产周期比较

　　用金属3D打印机打印出来的零件，经过表面加工以提高其光洁度并使用线切割机与其构造板分离，这将是现代制造技术的一个令人印象深刻的例子，但它仍不能算作是混合制造的例子。因此，通过混合制造生产的零件数量可能相对较少。该技术仍然相对较新，即使对于像3D打印这样年轻的行业也是如此。

　　然而，就像3D打印一样，混合制造的潜在好处使得一些早期采用者对该技术的未来前景非常乐观。内布拉斯加大学林肯分校机械和材料工程助理教授Michael Sealy就是其中之一。

　　“增材制造确实为能够逐层或逐区打印个性的机械性能打开了大门，”他说，“这是最大的优势之一，因此，我认为混合增材制造在未来几年会爆发出巨大潜力。”

　　尽管可用混合机器的总体数量仍然相对较小，但将它们分成几种类型是有帮助的。最基本的区别在于现成的混合机床和传统机床的加性改造之间。

　　对混合制造技术（HMT）以及3D-混合解决方案所代表的机床进行附加修改的选择极为有限。在这两种情况下，核心技术都涉及一个或多个金属3D打印工具，这些工具被设计成与填充机床工具库的标准减法工具一起操作。

AMBIT与传统减法工具一起使用

　　尽管混合动力附加组件是为独立购买和安装而设计的，但在混合制造技术的例子中一些机床制造商开始将其作为标准选项提供，包括ELB-SCHLIFF、Mazak和Mitsui Seiki。3D-混合解决方案公司的创始人Karl Hranka证实，他的公司正走在同一条道路上：“我们正与一些早期客户合作，以改进他们的应用程序，我们正开始与机床制造商合作，成为一家专门的增材制造工具开发商。”

　　除了这一基本区别之外，混合制造的类型也可以根据其基础增材制造技术进行划分。这包括定向能量沉积（DED）、电弧增材制造（WAAM）、冷喷涂（CS）和Fabrisonic公司的超声波增材制造（UAM）。这些技术之间存在重要差异，混合机床制造商各自都在下注，因此值得更详细地研究这些技术。

　　定向能量沉积涉及使用激光或电子束将粉末进料到在部件表面产生的熔池中。该工艺基本上与选择性激光烧结（SLS）相同，但粉末仅适用于在此时向零件中添加材料的情况。

DED支持的材料包括钛、不锈钢、铝和其他难加工金属。DED的另一个优点是，至少对于诸如Okuma的LASER EX系列超级多任务机器和3D混合解决方案的一些选项，能够使用机器的激光执行硬化操作。

　　根据所使用的材料，DED通常要求构建室充满惰性气体。然而，对于一些混合机床，例如DMG MORI的LASERTEC 65 3D混合机和LASERTEC 4300 3D混合机，自带的惰性护罩气体足以保护熔池以更好地控制材料性能。

　　虽然DED最适合需要更高精度或准确度的零件--粉末床熔合（PBF）虽然更加准确和精确，但它还不是混合机床的唯一选择--电弧增材制造在沉积率方面胜出。

电弧增材制造

　　“用我们的电弧解决方案，我们每小时沉积约2至5磅，具体取决于合金，”Hranka说。 “但我们仍在优化，我们相信我们可以走得更快。”

　　DMS Huron Peak混合系统基于电弧技术，沉积速率为每小时3至5磅。值得注意的是，电弧系统不需要惰性环境，尽管它们需要像任何电弧焊接过程一样被屏蔽以确保安全。 Midwest Engineered Systems（MES）高级销售工程师Peter Gratschmayr进一步解释了WAAM与其他增材系统的区别：“这真的不能与其他激光增材制造技术竞争，因为那些是为了更高的分辨率，更小的组件。它最终耗费12到25美元一盎司的粉末才能够制造零件，它通常还包含20％的废品率，所以不是所有的粉末都被使用了。”

　　“要记住的另一件事是，我们的材料重量是粉末重量的15到20倍，”Gratschmayr继续道，“我们可以制造长达42米，宽6米，高2米的零件，并保持在20至30千分之一的重复性。”

　　冷喷涂是一种涂层沉积方法，最初是为轴涂层应用而开发的，但现在正用于混合制造。 3D混合解决方案提供两个冷喷涂刀头，一个用于加工较硬的合金，另一个用于激光辅助，用于高速沉积。

冷喷铜沉积在芯轴上

　　冷喷涂工艺源于热喷涂市场，但与通常熔化金属粉末的热喷涂工艺不同，冷喷涂工艺可使金属粉末保持固态。

　　“我们可能达到熔点的80％，”VRC金属系统业务开发总监Tom Woods解释道，“这是一种软化的粉末，所以我们不是将金属液化并喷涂--这不会给你很强的粘合--我们通过一个超音速喷嘴喷涂粉末，将其加速到大约2马赫或3马赫。”

　　“这会使金属颗粒在撞击时变形，”他继续道，“然后它们被剪切到你喷涂的任何金属基底上。这样你就获得冶金结合，而不仅仅是机械结合。最终的粘合强度一般大于8000 psi，孔隙率和拉伸强度小于1％--比如钛材料，我们的粘度超过80000 psi。”

　　超声波增材制造（UAM）是由Fabrisonic公司开发，它基于上世纪50年代出现的一种技术：超声波焊接。“我们拥有一种专利的辊子设计，来回滚动铝箔，并在其滚动时振动，为我们提供了制作粘合所需的擦洗操作。”Fabrisonic总裁兼首席执行官Mark Norfolk解释道。

　　“超声波的优点在于它的低温，”他继续道，“零件不需要高于200°F。因此，进入的材料属性是相同的材料属性。您也可以在同一部件中组合不同的金属，而不会形成金属间化合物或者您不想要的冶金结果。”

　　Fabrisonic公司采用现成的数控铣床，并在其中增加了公司的焊接头。“因为我们有一台数控铣床，我们使用标准G代码来驱动机器，并排打印薄箔，然后以砖砌图案相互堆叠，形成3D形状。”使用这种技术，混合机器可以通过焊接来打印近净成形的零件，然后部署切削工具进行减材工作。

　　除开所有关于技术的讨论不谈，制造业中永恒的问题仍然存在：怎么应用？

　　“就像机械加工一样，应用也是多种多样的：航空航天，医疗，模具和压模等等许多不同的领域，”Hranka说，“金属3D打印是一项新技术，每个使用它的人都面临着材料方面的挑战。我们专注于快速打印并利用数控机床的优势。”

　　这提出了一个重点：目前，金属增材制造业的两大产业是航空航天和医疗。在这些行业中工作需要遵守严格的法规，而在增材制造方面，这可能意味着不仅要考虑一个部件，还要考虑工艺、材料和机器。层压金属和开发新合金的能力无疑是令人兴奋的，但行业监管的繁重程度又使这种兴奋感大打折扣。

　　尽管存在悲观情绪，但混合动力制造的潜在应用确实诱人。Sealy博士一直致力于医疗植入行业的一个特别有趣的应用。他说：“每次骨折时，你都得用到钛、不锈钢或钴铬植入物。即是钢板材、螺钉和棒材。可问题是，这些东西放进体内可能会造成长期并发症。比如我的肘部有两个螺钉，每当我携带一加仑牛奶或卸下洗衣机时，它就会开始疼痛。这就是为什么骨科医生经常建议您在六到八周后取出植入物的原因。”

　　“我们想的是不用进行第二次手术，而是让植入物降解，我们使用混合增材制造来控制降解速度。对于年龄较小且仍在增长的人，就可以让降解速度快一点，而对于年龄较大且不能很快再生骨组织的人来说，降解速度则要慢很多。混合制造使我们能够调整植入物降解的速度，我们只需改变制造方式即可实现这一目标。”

内布拉斯加大学林肯分校工程学助理教授Michael Sealy正在使用Optomec混合机器生产可生物降解的医疗植入物。

　　正如Hranka解释的那样，即使是相对平凡的混合制造应用也令人印象深刻。“我们正在与Takumi USA展示我们的系统，并在模具与压模行业利用他们机器的优势。因此，考虑修复模具，打印保形冷却通道，甚至是堆焊模具，这样它们就能持续更长时间。”

　　混合制造技术公司首席执行官兼联合创始人Jason Jones对此表示赞同：“定向能量沉积（DED）非常适合修复和再制造，对于这些类型的应用来说，它已经非常成熟了。根据我们的经验，两者之间的中间点是再制造，只需添加一点材料。”

　Tom Cobbs也强调了将混合加工应用于修复应用以及再制造的优势。“我们可以扫描零件，将它当作CAD图纸，然后修复涂层--无论是外表面上的耐磨涂层，还是阀门或管道内孔上的腐蚀涂层。假设您有一个现有部件，您想为其添加一个功能。您可以将原件加工下来，然后在上面进行添加--例如，我们先加工一根棒子，然后在其末端打印上一个配件。”

　　对于混合机床，显而易见的问题是，是否真的需要在一台机器中合并增材和减材过程。鉴于我们已经拥有大量的独立减材选项，更多的独立金属增材选项随时出现，托盘更换系统更加丰富，将它们放在一台机器上的好处是什么（除了明显增加的占地空间）？

　　“这是我对那些想要混合动力的人提出挑战的关键所在。” 亚利桑那州立大学副教授Dhruv Bate说，“除非它能够一步完成所有事情--这意味着支持移除和完成--否则我看不到投资混合动力机器的优势，因为我很可能仍然需要所有这些下游操作才能真正让我的部分生产就绪。”

　　Sealy博士提出了不同的观点：“要在反应材料上进行混合制造，例如，如果你需要加工镁部件，你必须担心芯片和粉末变得易燃，因此，你需要一个惰性环境，进行所有的处理步骤，而不是打印，取出部件，然后回到打印机。”

　　Hranka还强调了无需移动工件即可在增材和减材操作之间切换的好处。 “使用粉末床打印，你不能在内部进行任何加工，你只能完整地打印你的部件。使用混合加工，您可以停止打印机器，然后进一步打印。我总是把它想象成一个装在漂流瓶里的船：能够打印瓶子，打印船只，精确地获得表面光洁度和船帆，然后将整个物品打印出来。没有办法让切割工具进入一个完全封赛季的零件里。”

　　琼斯指出了巩固设备需求的好处，特别是在资本支出紧迫的情况下。“我在南美洲访问过的一家公司，他们历来都在生产一种需要传统预热的产品，然后再通过手工焊接添加金属。”他说。“有了我们的技术，他们将完全跳过这一步。通过采用单一设置方法，他们便可加倍生产零件。他们正在研究来自铸造厂的铸件，这些铸件将安装在一台混合型一体机上，历史上已有三到四种不同的设置，现在将合并为一台。”

3D打印的超跑旁边的（非混合）

大面积增材制造系统

　　尽管我希望，但混合动力制造不太可能在不久的将来为我提供3D打印的汽车、房屋、服装或智能手机。它可能做的是改变我们在航空航天、医疗和工具及模具行业设计、制造、维修和再制造关键部件的方式。与更普遍的金属增材制造一样，汽车行业的采用尚未取得进展，但混合制造的简单性和相对较低的成本，以及在许多情况下使用熟悉的系统和软件所带来的易用性，表明它可能是将金属增材制造引入大规模生产的最佳选择。