自從20世紀(jì)八十年代全面啟動(dòng)關(guān)于激光器和激光傳導(dǎo)的研究進(jìn)展，對(duì)3D打印技術(shù)一直起著關(guān)鍵的推動(dòng)作用。3D打印技術(shù)的標(biāo)志性應(yīng)用是直接根據(jù)計(jì)算機(jī)模型來(lái)制造原型，這就是為什么多年來(lái)它被稱(chēng)為“快速成型”（rapidprototyping）。

人們一直持續(xù)研究著幾個(gè)領(lǐng)域，其中值得注意的是，高功率固體激光器的問(wèn)世使得3D打印機(jī)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(jìn)來(lái)了。這種相對(duì)較新的技術(shù)推動(dòng)了3D打印技術(shù)在商業(yè)化方面的進(jìn)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(jìn)行3D打印的平均成本（目前大約是50萬(wàn)美金）使其難以只用于生產(chǎn)原型，但是可以用來(lái)制造高價(jià)值、高復(fù)雜性的零件。3D打印技術(shù)的適用范圍在擴(kuò)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(qiáng)調(diào)其工作原理。

從分離到整合

工業(yè)制造行業(yè)對(duì)增材制造的青睞，尤其是金屬，加強(qiáng)了對(duì)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(jìn)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(lái)磨削

增材制造發(fā)展初期的動(dòng)力主要以原型件的制造為焦點(diǎn)，獨(dú)立的機(jī)床結(jié)構(gòu)主宰著這個(gè)市場(chǎng)。這種結(jié)構(gòu)很適合設(shè)計(jì)部門(mén)的原型件生產(chǎn)，但對(duì)于還需要后續(xù)處理加工的制造來(lái)說(shuō)并不是最理想的。特別是獨(dú)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(lái)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(dú)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(dāng)認(rèn)識(shí)到對(duì)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(shì)以后，再考慮到需要達(dá)到數(shù)控加工精度的要求，整個(gè)行業(yè)對(duì)于將這兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)的混合加工非常感興趣。這對(duì)于增材制造的研發(fā)道路來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵性的里程碑，它從分離的獨(dú)立式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向與互補(bǔ)性加工設(shè)備的一體化整合。

從研究到主流的數(shù)控機(jī)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(lái)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(jì)九十年代后期的一項(xiàng)日本的大學(xué)和工業(yè)界的聯(lián)合研究項(xiàng)目，這個(gè)專(zhuān)業(yè)的機(jī)床將激光粉末熔覆（PBF）與數(shù)控機(jī)床結(jié)合起來(lái)，這就是現(xiàn)在Matsuura公司的LUMEXAvance-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(kāi)始著手進(jìn)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(gè)適合主流數(shù)控機(jī)床的混合式產(chǎn)品，它給機(jī)床增加了激光熔覆（ASTMF42委員會(huì)將其定義為一種定向的能量沉積過(guò)程）部分（圖2）。該系統(tǒng)在2012年被首次展示出來(lái)，現(xiàn)在就是我們所知道的由HybridManufacturingTechnologies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(guò)的數(shù)控機(jī)床升級(jí)成能進(jìn)行金屬3D打印的工業(yè)3D打印機(jī)。

圖2：AMBIT系統(tǒng)（見(jiàn)插圖）對(duì)HamuelHSTM1000機(jī)床中的葉片進(jìn)行激光熔覆

該系統(tǒng)可以改裝到現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床中，或者被充分整合到新的數(shù)控機(jī)床中，從而給新的數(shù)控機(jī)床帶來(lái)附加功能，例如HamuelHSTM1000、MazakINTEGREXi-400AM和Elb-SchliffmillGRIND。通過(guò)將主流數(shù)控機(jī)床作為平臺(tái)，這一創(chuàng)新帶來(lái)了一種新的利用增材制造的方式，被稱(chēng)為“增材制造工藝和應(yīng)用進(jìn)步的首個(gè)范例”，并榮獲2015年國(guó)際增材制造大獎(jiǎng)（IAMA）。

這種混合技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)就是它能縮短3D打印金屬零件的時(shí)間，主要是通過(guò)先打印出大體的輪廓來(lái)實(shí)現(xiàn)近凈成形，然后通過(guò)打印后加工來(lái)獲得所需的表面光潔度和精度。一開(kāi)始，它主要用于形狀構(gòu)建、對(duì)原有零件進(jìn)行表面硬化以及葉片和葉輪的一次性整體修理，只需一個(gè)步驟就能在待修復(fù)的金屬表面上進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)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(jī)床來(lái)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(qǐng)專(zhuān)利的AMBIT激光金屬沉積頭可以存儲(chǔ)在工具庫(kù)中，并使用標(biāo)準(zhǔn)的工具切換裝置來(lái)加載到銑削主軸上。加載到主軸后，它將與主軸配套的一個(gè)供給裝置對(duì)接，并由后者來(lái)提供激光能量和供給原料，從而在零件上進(jìn)行非反應(yīng)性金屬粉末熔覆。用同一個(gè)數(shù)控機(jī)床控制器以及定制化的M-codes來(lái)控制用于減材的刀具路徑。沉積一旦完成，沉積頭便會(huì)被更換并放回工具庫(kù)中，然后繼續(xù)進(jìn)行加工。將沉積頭存儲(chǔ)在加工環(huán)境以外的地方，可以讓其遠(yuǎn)離機(jī)床冷卻系統(tǒng)以及其他污染風(fēng)險(xiǎn)（圖4）。

圖4：AMBIT激光熔覆頭在使用過(guò)程中被安裝在主軸上，此外便存儲(chǔ)在工具庫(kù)中

在數(shù)控機(jī)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(huì)影響數(shù)控機(jī)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(jī)床中，帶來(lái)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(lái)了新的關(guān)注點(diǎn)和機(jī)遇。

在每一次使用后，將激光加工頭從機(jī)床工作間移出是為了保護(hù)加工頭，以及盡可能避免影響機(jī)床的加工性能（通過(guò)侵入工作區(qū)或避免冷卻劑的使用等）。為了在標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床工具庫(kù)中存儲(chǔ)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(guò)去五年中，研發(fā)的重點(diǎn)之一是如何可靠地將這一步驟實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。通過(guò)使用屏蔽罩和密封件的組合，我們也能保護(hù)好存儲(chǔ)在工具庫(kù)中的激光加工頭。

雖然切斷光束路徑需要額外的步驟來(lái)避免污染，但是也給激光加工帶來(lái)了新的機(jī)會(huì)。使用工具切換裝置來(lái)交換加工頭，意味著可以在不同的光學(xué)元件之間自動(dòng)切換。這讓激光加工的靈活性提升到一個(gè)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(jìn)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(zhǔn)連續(xù)波（QCW）激光器或多種激光源的使用有希望進(jìn)一步擴(kuò)大混合數(shù)控機(jī)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(jī)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(shí)也給一次安裝的激光加工帶來(lái)了更大的靈活性。

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