自從20世紀八十年代全面啟動關于激光器和激光傳導的研究進展，對3D打印技術一直起著關鍵的推動作用。3D打印技術的標志性應用是直接根據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”（rapidprototyping）。

人們一直持續研究著幾個領域，其中值得注意的是，高功率固體激光器的問世使得3D打印機生產零件所使用的材料范圍更為廣泛，現在已經將金屬囊括進來了。這種相對較新的技術推動了3D打印技術在商業化方面的進展——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原型，但是可以用來制造高價值、高復雜性的零件。3D打印技術的適用范圍在擴大，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用，而是強調其工作原理。

從分離到整合

工業制造行業對增材制造的青睞，尤其是金屬，加強了對零件后續處理工藝的需求。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激光頭修復以及用millGRIND來磨削

增材制造發展初期的動力主要以原型件的制造為焦點，獨立的機床結構主宰著這個市場。這種結構很適合設計部門的原型件生產，但對于還需要后續處理加工的制造來說并不是最理想的。特別是獨立結構使得零件清洗和轉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在商業上獲得了成功，并且具有獨特的技術能力，但是還不能生產具有數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雜幾何形狀和材料選擇自由度方面的優勢以后，再考慮到需要達到數控加工精度的要求，整個行業對于將這兩種技術結合起來的混合加工非常感興趣。這對于增材制造的研發道路來說是一個關鍵性的里程碑，它從分離的獨立式結構轉向與互補性加工設備的一體化整合。

從研究到主流的數控機床

關于增材制造和減材制造技術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化應用。最初的商業化混合產品始于20世紀九十年代后期的一項日本的大學和工業界的聯合研究項目，這個專業的機床將激光粉末熔覆（PBF）與數控機床結合起來，這就是現在Matsuura公司的LUMEXAvance-25。

此外，大約八年前，學術界和產業界的研究合作開始著手進行金屬增材和減材之間的轉換，努力想讓其如同更換工具一樣容易。最終的成果是研發出第一個適合主流數控機床的混合式產品，它給機床增加了激光熔覆（ASTMF42委員會將其定義為一種定向的能量沉積過程）部分（圖2）。該系統在2012年被首次展示出來，現在就是我們所知道的由HybridManufacturingTechnologies公司研發的AMBIT可轉換工具頭的激光熔覆系統，它可以將新的和使用過的數控機床升級成能進行金屬3D打印的工業3D打印機。

圖2：AMBIT系統（見插圖）對HamuelHSTM1000機床中的葉片進行激光熔覆

該系統可以改裝到現有的數控機床中，或者被充分整合到新的數控機床中，從而給新的數控機床帶來附加功能，例如HamuelHSTM1000、MazakINTEGREXi-400AM和Elb-SchliffmillGRIND。通過將主流數控機床作為平臺，這一創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）。

這種混合技術的核心優勢就是它能縮短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，然后又在發電領域用于葉片修理（圖3）。

圖3：用混合式數控機床來修復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性金屬粉末熔覆。用同一個數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，然后繼續進行加工。將沉積頭存儲在加工環境以外的地方，可以讓其遠離機床冷卻系統以及其他污染風險（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

在數控機床中加入AMBIT系統，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激光熔覆系統整合到數控機床中，帶來了一種新的光束傳導方法，能最大化這種混合技術的作用。這給激光加工帶來了新的關注點和機遇。

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，研發的重點之一是如何可靠地將這一步驟實現自動化。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控機床的加工范圍。

與混合技術相關的這些發展表明，在數控機床中加載激光工業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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