增減材混合制造設備的發展現狀

林 郁 李 陽 高希坤 程 祥

（1、龍口礦業集團有限公司，山東 龍口265700 2、山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博255000）

1 概述

由增減材混合制造的原理可知，其設備的基本組成部分為3D 打印系統、數控切削系統與輔助系統。根據所包含的工藝、運動平臺的類型、設備重構的方法及增材與減材制造工藝的交互，增減材混合制造設備的硬件結構主要是激光燒結與CNC 加工相結合，可以用工業機器人、3 軸或5 軸聯動切削加工機床、商業化的SLM機床等相結合，可以通過獨立的增材與減材機器（機器人交換工件）、將增材制造裝置安裝在主軸上（無刀庫）、在機床上安裝永久性的增材制造頭、或者是在商用SLM機床上進行設備重構來實現[1]。

可以看出，增減材混合制造設備大部分是基于商業化的機床進行制作的，直接能量沉積在增減材混合制造設備的3D 打印中占據主導地位。

2 國外增減材混合制造設備發展現狀

在國外，由Optomec 公司主導，有洛克希德丁公司和美國陸軍貝尼特實驗室等參與，在數控機床上添加激光3D 打印裝置，并嵌入新型控制系統、軌跡規劃系統和質量監控系統，形成增減材混合制造系統LENS 3D HY 20，如圖1 所示，可以制造加工不銹鋼、工具鋼、鈷鎳鐵合金、鎳基合金、鈷鉻合金、鎢及其他無電抗金屬等，混合成型尺寸為500mm×350mm×500mm，可以最多5 軸聯動，主軸轉速達30000min-1，刀庫容量為8 把刀具，采用500W 或1kW 激光器，配有冷卻裝置，最多可選4 個送粉器用于合金和功能梯度材料。

沙迪克公司的OPM350L，如圖2 所示，最大造型尺寸為350mm×350mm×350mm，采用摻鐿光纖激光器，激光波長為1070nm，最大輸出功率500W，可選1000W，采用電流式激光掃描方式，最大粉末供應量為100Kg，氮氣供應能力為90NL/min，銑削主軸轉速6000 ～45000min-1，最大扭矩0.8Nm，采用HSK-E25 型熱壓配合雙面約束刀夾，共有6 個數控軸，可實現4軸聯動，最小驅動單位0.031μm，最小設置單位為0.1μm。

DMG Mori Seiki 公司生產的LASERTEC 65 3D 復合制造機床，如圖3 所示[2]，將激光熔覆技術融合到五軸數控機床上，可實現鈦合金、不銹鋼、鋁合金及鎳基合金等不同材料的復合加工。采用了粉末噴嘴的激光堆焊技術，激光功率2500W，速度比粉床工藝快10 倍。主軸轉速可達20000min-1，刀庫最大容量為60 把，最大工件直徑達φ600mm，高度達400mm 和最大重量達600kg。

圖1 LENS 3D HY 20

圖2 OPM350L

圖3 LASERTEC 65

Hamuel Reichenbacher 公司生產的HYBRID HSTM 1500機床，如圖4 所示[2]，集直接能量熔融與高速銑削于一體，主要用于高精度部件的修整，包括去毛刺與拋光等輔助加工。

Mazak 公司生產的INTEGREX i-400AM 增減材復合制造機床，如圖5 所示[2]，融合了五軸車銑復合加工中心與兩個Ambit 激光熔融頭，增材制造可通過一粗一細的激光熔融頭實現高速熔融以及高精度熔融加工，然后利用加工中心對增材制造的部件進行車銑與激光雕刻。特別適合于加工小批量、難加工材料產品，如航空航天領域耐熱合金零部件、能源領域高硬度材料工具和零部件、醫療設備領域高精度特種合金零部件。應用該機床通過增材制造的方法很容易地在零部件上添加出“近凈成形”的產品構件，然后通過銑削的方式迅速完成精加工任務。

圖4 能量熔融與高速銑削混合制造機床HYBRID HSTM 1500

圖5 5 軸聯動增減材復合制造機床INTEGREX i-400AM

Matsuura 公司推出了3 軸立式銑床與激光燒結復合制造機床LUMEX Advance-25，如圖6 所示，采用光纖激光器，標準輸出激光功率為200W，刀庫容量20 把，最大加工工件250mm×250mm×185mm，最大工件重量為90kg，銑削主軸最大轉速45000min-1。

圖6 LUMEX Advance-25

圖7 3D 打印與磨削混合制造機床millGrind

Hybrid Manufacturing Technologies 公司與德國ELB 磨床有限公司合作，研發出了全球首臺緩進給磨床配置激光金屬沉積與銑削一體設備millGrind，如圖7 所示，是一臺連續修正緩進給磨床，配備Ambit 激光金屬沉積與銑削功能，millGrind 采用具備超硬磨料性能的常規磨料，具備0.1μm 的X、Y、Z 軸運動分辨率，磨輪之間的轉換可于數秒內完成，每分鐘8000 轉數的主軸可自動換刀，用于鉆孔、攻絲及其它銑削操作。該混合機床減少了制成零件所需的安裝數量，從而具備更高的靈活性，特別適合航空航天應用。

葡萄牙工具制造商Adira 開發出了混合金屬增減材混合制造機床，如圖8 所示，融合了粉床熔融（PBF）和直接金屬沉積（DMD）2 種金屬3D 打印技術進行增材制造，配備了包含激光切割在內的多種工具頭進行減材制造，粉床面積為960mm×960mm，直接沉積區域面積為1500mm×1500mm，打印件處理區域面積為300mm×300mm。

圖8 混合金屬增減材混合制造機床

圖9 大型石墨強化復合制造機床

除了以上用于金屬材料增減材混合制造的設備，還有專門用戶塑性材料的設備，如美國Thermwood 公司研制了生產大型石墨強化復合熱塑性部件的增減材混合制造機床，如圖9 所示，是在原先的大型5 軸加工機床Thermwood Model 77 上加裝了一個龍門架，其上還搭載了一臺能夠加熱和熔化石墨的大型擠出機，可制作工件尺寸超過3000mm×3000mm×15000mm，擠出機功率15kW，噴嘴直徑44.5mm。

3 國內增減材混合制造設備發展現狀

在國內，大連三壘機器股份有限公司研發的SVW80C-3D增減材復合五軸加工中心，如圖10 所示，是金屬噴粉激光熔融與立式加工中心復合機床。采用光纖二極管激光器，激光器功率2kW，工件最大回轉直徑1000mm，工作臺最大承載850kg，主電動機最大功率36kW，主軸最高轉速12000min-1，X/Y/Z 軸行程800mm/800mm/600mm，X/Y/Z 快移速度48m/min，A/C 軸轉動范圍±120°/360°。

圖10 五軸復合機SVW80C-3D

青海華鼎裝備制造有限公司研制出的XF1200 激光增減材五軸復合加工中心，如圖11 所示，是金屬噴粉激光熔融與立式加工中心復合機床。其激光器功率1200W，最高送粉速率15g/m in，工件壁厚1～5mm，轉速20000min-1，刀柄采用HSK-A63，X/Y/Z 軸行程600mm/450mm/450mm，B/C 軸回轉范圍-115°～+30°/360°。

圖11 五軸復合加工中心XF1200

上海航天一亙智能科技有限公司推出了5 軸3D 打印增減材復合加工中心VMF60-3D，如圖12 所示，采用銑削主軸的功率為30kw，轉速20000min-1，刀庫容量為30 把，激光掃描率為6mm/s，送粉速率為10g/min，主要由床身、滑鞍、滑枕、高性能銑削主軸、回轉工作臺、內藏旋轉式大容量刀庫、全防護、液壓系統、潤滑系統、電氣系統、有效的切屑和冷卻液管理裝置、刀具及加工監測反饋系統等部件組成。激光增材系統由激光熔覆快速成形光內同軸送粉噴頭（包括直角準直鏡和標準刀柄HSK-A63）、激光發生器（1.2KW，含400um 芯徑的傳輸光纖15m）、冷水機組、送粉器、惰性氣體等部分組成。數控系統采用HEIDENHAIN iTNC 530 系統，可實現高效的自動換刀和復雜曲面成型、加工。

圖12 復合加工中心VMF60-3D

武漢天昱智能制造有限公司與華中科技大學合作開發的微鑄鍛銑一體化增材制造機床，如圖13 所示，是針對航空、航天等行業對大型鈦合金結構件的一體化制造需求而研發的，集成了電弧/等離子弧快速成形、柔性微型軋制、數控加工、惰性氣氛保護等多種技術于一體，在熔積成形過程中對熔積工藝參數、熔積層表面形貌、制件冶金質量進行在線實時檢測，對于在增材成形過程中產生的表面裂紋、未熔合、氣孔、夾渣等缺陷的無損檢測，采用多種無損探傷集成裝置，判定缺陷的大小、位置、性質和數量；采用快掃紅外熱像儀測量成形件的溫度場和熱循環曲線、視覺成像分析診斷系統，監測電弧弧柱特征和熔池形態，并進行數控減材加工，達到制造件的質量要求。

圖13 微鑄鍛銑復合增材制造機床

北京機電院機床有限公司研制出了XKR40-Hybrid 增減材復合制造機床，如圖14 所示，具有X、Y、Z 三個直線軸和A、C兩個回轉軸，A 軸擺角+10°～-110°，C 軸由力矩電機驅動，可360°伺服旋轉。該增減材復合機床的切削主軸和激光增材制造單元均可實現三軸直線移動，工件裝卡在搖籃轉臺上可實現兩個回轉運動。應用五軸切削加工技術和激光層積技術、CAM技術、測量技術，該增減材復合機床可完成不同行業具有復雜空間曲面形狀零件（如葉盤、葉輪、葉片、模具、傳動部件等）的增減材加工和修復，亦可實現由多種材料構成的零件的制造。相比較于其他增材方式和機床，XKR40-Hybrid 增減材復合機床能在一次裝夾下完成復雜零件的增材及減材加工，達到更高的精度和效率，同時，由于采用了自動送絲和激光層積技術，在材料的可獲得性、材料成本、材料均勻性、生產效率、工藝穩定性等方面，都體現了較大的優勢。

圖14 五軸復合制造機床XKR40-Hybrid

圖15 塑形材料混合制造機床

山東理工大學針對人工骨的個性化定制，如下頜骨、脊柱椎融合器等，研發了FDM與銑削的增減材混合制造機床，如圖15 所示，采用3.5 軸的配置方式，其中，三個直線軸的行程為400mm×200mm×200mm，B 軸用于增材噴嘴與減材主軸的分度，銑削主軸轉速可達20000min-1，可以直接3D 打印聚醚醚酮線材，然后進行銑削加工。

4 結論

由以上國內外增減材混合制造設備的研發現狀可以看出，國外針對增減材混合制造的研發起步早，已出現了一批商業化的增減材混合制造機床。國內針對增減材混合制造的研發起步較晚，但是研發勢頭較強，正在迎頭趕上，而且還出現了國外所沒有的一些特色增減材混合制造機床。隨著增減材復合制造技術的發展和逐漸成熟，將涌現出越來越多功能強大的復合制造設備，涵蓋越來越多的應用領域。