自從20世紀八十年代全面啟動關(guān)于激光器和激光傳導(dǎo)的研究進展，對3D 打印技術(shù)一直起著關(guān)鍵的推動作用。3D打印技術(shù)的標志性應(yīng)用是直接根據(jù)計算機模型來制造原型，這就是為什么多年來它被稱為“快速成型”（rapid prototyping）。
人們一直持續(xù)研究著幾個領(lǐng)域，其中值得注意的是，高功率固體激光器的問世使得3D打印機生產(chǎn)零件所使用的材料范圍更為廣泛，現(xiàn)在已經(jīng)將金屬囊括進來了。這種相對較新的技術(shù)推動了3D打印技術(shù)在商業(yè)化方面的進展——可以小批量或中批量制造終端零件，其中許多都由金屬制成。的確，能夠使用金屬材料進行3D打印的平均成本（目前大約是50萬美金）使其難以只用于生產(chǎn)原型，但是可以用來制造高價值、高復(fù)雜性的零件。3D打印技術(shù)的適用范圍在擴大，因而被重新命名為增材制造（AM），從而不再局限于任何特定的應(yīng)用，而是強調(diào)其工作原理。
從分離到整合
工業(yè)制造行業(yè)對增材制造的青睞，尤其是金屬，加強了對零件后續(xù)處理工藝的需求。尤其是，金屬零件幾乎總是需要進行一些修整的步驟，通常是加工、拋光或磨削（圖1）。
圖1：重新磨平的葉片部分是用AMBIT激光頭修復(fù)以及用millGRIND來磨削
增材制造發(fā)展初期的動力主要以原型件的制造為焦點，獨立的機床結(jié)構(gòu)主宰著這個市場。這種結(jié)構(gòu)很適合設(shè)計部門的原型件生產(chǎn)，但對于還需要后續(xù)處理加工的制造來說并不是最理想的。特別是獨立結(jié)構(gòu)使得零件清洗和轉(zhuǎn)移到下一工序這些工作都需要由人工來完成。
盡管激光增材制造系統(tǒng)在商業(yè)上獲得了成功，并且具有獨特的技術(shù)能力，但是還不能生產(chǎn)具有數(shù)控加工精度和表面光潔度的零件。當認識到對于增材制造在復(fù)雜幾何形狀和材料選擇自由度方面的優(yōu)勢以后，再考慮到需要達到數(shù)控加工精度的要求，整個行業(yè)對于將這兩種技術(shù)結(jié)合起來的混合加工非常感興趣。這對于增材制造的研發(fā)道路來說是一個關(guān)鍵性的里程碑，它從分離的獨立式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向與互補性加工設(shè)備的一體化整合。
從研究到主流的數(shù)控機床
關(guān)于增材制造和減材制造技術(shù)的組合的研究有著二十年的歷史，雖然其帶來的效益很有前景，但是直到最近才獲得一定的商業(yè)化應(yīng)用。最初的商業(yè)化混合產(chǎn)品始于20世紀九十年代后期的一項日本的大學(xué)和工業(yè)界的聯(lián)合研究項目， 這個專業(yè)的機床將激光粉末熔覆（PBF）與數(shù)控機床結(jié)合起來，這就是現(xiàn)在Matsuura公司的LUMEX Avance-25。
此外， 大約八年前，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究合作開始著手進行金屬增材和減材之間的轉(zhuǎn)換，努力想讓其如同更換工具一樣容易。最終的成果是研發(fā)出第一個適合主流數(shù)控機床的混合式產(chǎn)品，它給機床增加了激光熔覆（ASTM F42委員會將其定義為一種定向的能量沉積過程）部分（圖2）。該系統(tǒng)在2012年被首次展示出來，現(xiàn)在就是我們所知道的由Hybrid Manufacturing Technologies公司研發(fā)的AMBIT可轉(zhuǎn)換工具頭的激光熔覆系統(tǒng)，它可以將新的和使用過的數(shù)控機床升級成能進行金屬3D打印的工業(yè)3D打印機。
圖2：AMBIT系統(tǒng)（見插圖）對Hamuel HSTM1000機床中的葉片進行激光熔覆
該系統(tǒng)可以改裝到現(xiàn)有的數(shù)控機床中，或者被充分整合到新的數(shù)控機床中，從而給新的數(shù)控機床帶來附加功能，例如Hamuel HSTM 1000、Mazak INTEGREX i-400 AM和Elb-Schliff millGRIND。通過將主流數(shù)控機床作為平臺，這一創(chuàng)新帶來了一種新的利用增材制造的方式，被稱為“增材制造工藝和應(yīng)用進步的首個范例”，并榮獲2015年國際增材制造大獎（IAMA）。
這種混合技術(shù)的核心優(yōu)勢就是它能縮短3D打印金屬零件的時間，主要是通過先打印出大體的輪廓來實現(xiàn)近凈成形，然后通過打印后加工來獲得所需的表面光潔度和精度。一開始，它主要用于形狀構(gòu)建、對原有零件進行表面硬化以及葉片和葉輪的一次性整體修理，只需一個步驟就能在待修復(fù)的金屬表面上進行在線檢測和精加工。這種混合修理方法起初是用于Cummins渦輪增壓器葉輪的修復(fù)，然后又在發(fā)電領(lǐng)域用于葉片修理（圖3）。
這種混合技術(shù)的核心優(yōu)勢就是它能縮短3D打印金屬零件的時間，主要是通過先打印出大體的輪廓來實現(xiàn)近凈成形，然后通過打印后加工來獲得所需的表面光潔度和精度。一開始，它主要用于形狀構(gòu)建、對原有零件進行表面硬化以及葉片和葉輪的一次性整體修理，只需一個步驟就能在待修復(fù)的金屬表面上進行在線檢測和精加工。這種混合修理方法起初是用于Cummins渦輪增壓器葉輪的修復(fù)，然后又在發(fā)電領(lǐng)域用于葉片修理（圖3）。
圖3：用混合式數(shù)控機床來修復(fù)Cummins渦輪增壓器的葉輪
從加工到熔覆的切換
正在申請專利的AMBIT激光金屬沉積頭可以存儲在工具庫中，并使用標準的工具切換裝置來加載到銑削主軸上。加載到主軸后，它將與主軸配套的一個供給裝置對接，并由后者來提供激光能量和供給原料，從而在零件上進行非反應(yīng)性金屬粉末熔覆。用同一個數(shù)控機床控制器以及定制化的M-codes來控制用于減材的刀具路徑。沉積一旦完成，沉積頭便會被更換并放回工具庫中，然后繼續(xù)進行加工。將沉積頭存儲在加工環(huán)境以外的地方，可以讓其遠離機床冷卻系統(tǒng)以及其他污染風(fēng)險（圖4）。
圖4：AMBIT激光熔覆頭在使用過程中被安裝在主軸上，此外便存儲在工具庫中
在數(shù)控機床中加入AMBIT系統(tǒng)，需要安裝激光器、送粉器、退出裝置和激光安全罩。這些裝置的安裝不會影響數(shù)控機床的銑削能力。
從熔覆到柔性激光加工
將AMBIT激光熔覆系統(tǒng)整合到數(shù)控機床中，帶來了一種新的光束傳導(dǎo)方法，能最大化這種混合技術(shù)的作用。這給激光加工帶來了新的關(guān)注點和機遇。
在每一次使用后，將激光加工頭從機床工作間移出是為了保護加工頭，以及盡可能避免影響機床的加工性能（通過侵入工作區(qū)或避免冷卻劑的使用等）。為了在標準的機床工具庫中存儲激光加工頭，必須切斷光束路徑。要保持光學(xué)元件的清潔，操作中需要小心密封光束路徑以避免污染。過去五年中，研發(fā)的重點之一是如何可靠地將這一步驟實現(xiàn)自動化。通過使用屏蔽罩和密封件的組合，我們也能保護好存儲在工具庫中的激光加工頭。
雖然切斷光束路徑需要額外的步驟來避免污染，但是也給激光加工帶來了新的機會。使用工具切換裝置來交換加工頭，意味著可以在不同的光學(xué)元件之間自動切換。這讓激光加工的靈活性提升到一個新的水平，只需一次安裝便可改變焦斑尺寸、形狀，甚至空間能量分布。這使得在同一裝置中進行各種激光加工成為可能，例如在激光熔覆和激光拋光或鉆孔之間切換。準連續(xù)波（QCW）激光器或多種激光源的使用有希望進一步擴大混合數(shù)控機床的加工范圍。
與混合技術(shù)相關(guān)的這些發(fā)展表明，在數(shù)控機床中加載激光工業(yè)3D金屬打印，是一種新的利用增材制造的方法，同時也給一次安裝的激光加工帶來了更大的靈活性。
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