三维打印

混合数控系统：增材制造和减材制造的革命性变革

1 月 12, 2025

发现混合数控系统无缝集成增材制造和减材制造。探索航空航天和医疗设备等行业的应用、优势和未来趋势。了解领先制造商如何推动这一创新技术的发展。

混合数控系统：增材制造与减材制造的结合

本文全面概述了混合制造，首先介绍了混合系统及其历史演变。文章对比了增材制造和减材制造，讨论了它们的定义、工艺和各自的优缺点。探讨了对混合系统的需求，强调了独立技术的局限性以及将两种方法整合在一起的好处。文章探讨了混合系统的主要优点，包括提高复杂性和设计自由度、局部材料沉积、零件修复能力、减少浪费以及在模具和小批量生产中的应用。文章还深入探讨了数控三维打印技术，详细介绍了在数控机床上集成快速成型工艺和现代混合工作流程。此外，文章还讨论了领先的增材-减材系统的特点，强调了核心技术和组件。介绍了混合修复技术，展示了其在航空航天和高价值部件中的应用。文章还探讨了多工序加工的概念，特别是将 FDM 集成到铣床上以及模块化混合平台的设计。展望未来，文章重点介绍了混合制造的新兴应用和创新，以及软件和自动化的发展趋势。结论部分总结了混合制造的影响，并对未来发展提出了见解。最后，"常见问题 "部分解答了有关混合制造的常见问题，并提供了清晰的答案和说明。

混合制造是将快速成型制造的计划机会与减法加工工艺的精确性和高效性结合起来的一种先进技术。通过协调能量声明程序，例如直接将激光熔覆到 PC 数控（CNC）机器设备上，生产商可以完全整合的方式使用这两种先进技术。混合制造的早期尝试包括为现有的数控机床加装添加剂功能。然而，真正的协同效应是通过专门设计的系统来实现的，该系统从一开始就设计用于无缝集成添加剂和减量制造工作流程。领先的原始设备制造商，如三井精机和 DMG Mori 已开发出精密的混合平台，可将激光头和粉末进给喷嘴安装到机床主轴上，与普通切削工具类似。当增材制造和减材制造工艺在优化的混合平台上结合在一起时，就会产生新的潜力。可以制造复杂的内部几何形状，同时通过后续加工保持严格的公差。此外，还可实现局部多材料沉积和零件修复应用。本文将探讨混合制造的技术方面和工业实施。文章将涵盖集成系统设计、核心添加-减量工艺集成、航空航天等行业的应用以及多工艺制造的未来展望。

根据信息检查，混合制造是一种发展中的模式。对 "混合动力制造 "的关注从 2016 年开始上升，此后持续攀升。这与三井精机（Mitsui Seiki）和DMG Mori等重要机械设备制造商在2015-2016年前后推出最令人难忘的经济型交叉框架相吻合。相关搜索词如 "增材减材制造 "和"数控 3D 打印近几年来，""的搜索量也呈上升趋势。此外，各省的兴趣也表明，半成品制造在全球范围内受到关注。迄今为止，美国、德国和日本在很大程度上推动了需求量的增长，这可能是受到了这些国家的航空/汽车原始设备制造商及其库存链的欢迎。同样，印度也成为跨界创新需求快速增长的市场。在大国的州/地方层面，搜索设计与主要的现代制造中心相吻合。在美国，加利福尼亚州、华盛顿州和密歇根州是首选之地。在德国，巴登-符腾堡州、下萨克森州和北莱茵-威斯特法伦州是重点。这与航空、设计和制造企业对新型半开放式大门的欢迎程度相吻合。总体分析表明，近年来全球对混合制造技术的兴趣与日俱增。随着各行各业涌现出更多的应用领域，更广泛地使用辅助系统预示着这一领域将进一步扩大。

混合制造

增材制造与减材制造

例如，激光烧结通过将塑料或金属粉末等材料熔融在一起，逐层制造零件。有趣的是，减法制造利用电脑数控（CNC）加工等方法，从坚固的块体或预型件中去除或粉碎材料，从而制造出成型零件。这两种方法各有利弊。快速成型制造允许复杂的内部特征和设计自由，因为它是通过逐步添加材料来工作的。但是，表面光洁度往往比较粗糙，有明显的层纹。此外，它还比减材制造工艺慢。通过加工预型件，减材制造可获得良好的尺寸精度和表面光洁度。但它在几何复杂度高的情况下很难发挥作用，而且会浪费更多的材料。

混合系统的必要性

为了克服独立增材制造和减材制造的局限性，混合系统将这两种方法结合在一起。这样就可以在单一制造工艺和机器中同时利用这两种方法的优势。混合系统集成了添加和去除材料的不同选项，从而实现了新的功能。通过将两种工艺相结合，混合制造系统解决了快速成型制造中表面光洁度差等问题。它还能解决减材制造在复杂内部结构方面的难题。在混合制造平台上，可根据需要交替添加和加工特征，以获得速度、精度或材料性能方面的优势。

混合动力系统的优势

复杂性增加

由于可以使用添加技术在预成型件内部放置层，因此内部通道、晶格或蜂窝结构成为可能。

局部材料沉积

不同的材料可按定制模式沉积，从而实现多材料或功能分级零件。

部件维修

损坏的部件可以通过添加剂沉积和机械加工的方法进行修复。

减少废物

与加工实心坯料相比，浪费的原材料更少，因为粉末添加剂只使用所需的材料量。

工具应用

模具、冲模和夹具可利用更便宜的金属粉末，而组合式切割机则可提供所需的表面光洁度。

小批量生产

混合动力系统提高了复杂、定制或小批量零件的加工效率，否则传统加工的交货周期会很长。

医疗植入物

增材/减材生物兼容材料集成技术可生产复杂的个性化医疗植入物和假肢。

数控 3D 打印

将添加剂集成到数控机床

混合系统的早期尝试包括改造现有的数控铣床或车床，使其具备增材制造能力。具体做法是将激光器和粉末进给等沉积设备直接安装在机床主轴上。然而，由于增材制造硬件的集成度不够理想，这些最初的改造都面临着挑战。它们还缺乏真正的工艺集成，无法在协调控制下实现打印和加工的无缝交替。现代混合系统拥有更优雅的解决方案。像三井精机这样的制造商从一开始就为完全集成的增材-减材工作流程设计机器。激光器和喷嘴可以像普通铣削工具一样安装和更换。粉末和能量供应可自动快速耦合到机头，以简化材料沉积。

混合流程工作流

数字孪生或虚拟仿真模型构成了在这些集成设备上进行混合制造工艺的基础。首先使用激光扫描仪对零件进行扫描，然后将扫描数据与 CAD 模型版本进行数字比较。然后，工艺规划软件会自动生成用于沉积的添加式刀具路径，以及用于任何后续加工步骤的削减式刀具路径。这些刀具路径将反馈给中央控制器，以监督自动化设备。零件经过顺序制造，包括沉积材料、加工特征、更多的添加剂材料沉积和进一步的加工迭代，直至全部完成。使用传感器进行过程监控可确保整个过程的尺寸精度和热控制。

数控 3D 打印的应用

迄今为止，混合系统的主要应用包括修复磨损的航空航天部件（如燃气轮机叶片）。通过局部沉积重建受损区域，然后立即进行机加工的能力使这种应用非常适合。其他应用还包括制造具有复杂几何形状的零件，而单靠机械加工是无法实现的，例如具有多孔晶格结构的封装特征。多材料零件还可以利用增材-减材混合材料集成能力。总之，通过将基于激光的快速成型制造与高精度数控加工操作直接结合起来，混合机器与独立系统相比，释放了新的设计自由并提高了生产率。它们结合了增材制造和减材制造技术的优点。

加减系统

将沉积技术集成到机床上

领先的机床制造商已经开发出先进的混合系统，将快速成型制造功能直接集成到减材制造设备中。这些混合机床不是将激光器作为简单的螺栓加装，而是专为增材制造与减材制造工艺的无缝集成而设计。三井精机从头开始设计混合系统。激光器和粉末喷嘴与普通切割工具一样，可精确安装到机床主轴上。喷嘴通过快速连接接口与激光能量和粉末输送部件自动连接。通过在这一层面进行集成设计，增材-减材工艺可以真正在统一的控制流程下交替进行。DMG Mori、Mazak 和 Trumpf 等其他知名制造商也提供专用的混合平台。其中一些集成了选择性激光熔融技术，而另一些则专注于熔丝制造或激光熔覆等定向能沉积技术。车铣复合机床也适用于旋转对称零件。

关键系统组件

除了紧密集成的激光和粉末设备外，混合系统还结合了其他几项核心技术：多轴主轴和运动控制，用于 5 面零件加工。为反应性材料提供惰性气氛的外壳。扫描仪将零件数字化并对表面特征进行编码。触摸探头验证精度和公差。模块化软件可无缝编程加减刀具路径。利用传感器和集成缺陷检测进行过程监控。总而言之，混合机器能够制造复杂的金属部件，适用于航空航天、能源和其他关键任务应用。

混合修复技术

混合能力的一种特殊用途涉及高价值部件的修复和重建。复杂的涡轮叶片、叶轮和其他损坏的航空航天部件现在可以通过局部加性沉积和填充区域的减性后处理进行翻新。通过将磨损部件的扫描结果与 CAD 模型进行比较，混合系统可自动生成刀具路径，逐层重建缺失部分。随后立即进行加工，获得最终修复尺寸和表面光洁度，避免了单独设置。这种被称为混合修复技术的应用利用了专用平台中扫描、快速成型制造和数控加工的组合。它代表着混合制造的工业准备就绪，可以修复超精密部件，否则将面临更换成本。

混合能力示例

三井精机、DMG Mori 等公司的专用平台展示了带整体冷却通道的涡轮机机壳生产等能力。铸件结构带有内部管道，否则很难通过机加工加工。激光沉积和铣削也能在一次操作中生产出具有悬空特征的法兰零件。通过线沉积进行涂层可提高部件的弹性。创新的车铣混合设计只需一次装夹即可加工出旋转部件。这些都体现了增材-减材混合材料集成的优势。

多工序加工

将 FDM 集成到铣床上

虽然大多数混合系统侧重于金属材料，但也有一些制造商开发了混合平台，将基于聚合物的熔融沉积成型（FDM）3D 打印集成到数控铣床上。FDM 打印头与切割工具一起安装在铣床主轴上。这样就可以先打印热塑性塑料部件，然后在需要时直接过渡到减材加工。精加工收缩补偿和应力可在线完成，而不需要后置工序。以前需要支撑结构的悬空特征可以在没有支撑的情况下进行快速成型。钛等金属也可以通过增材-减材配合嵌入到 3D 打印聚合物中，以强化最终应用。

设计模块化混合平台

领先的机器制造商将下一代混合平台设计为完全模块化的多功能系统。加工头可快速更换，以满足不同需求。可供选择的沉积技术包括激光粉末床熔融、吹粉激光熔覆、线弧快速成型等。可变光斑尺寸、激光功率和粉末进给量可优化任务的沉积。发散或聚焦激光束可执行基本材料沉积以外的任务。检测硬件和触摸探头可在机上验证结果。控制装置可无缝安排多步加料、扫描和减料顺序。模块化设计使系统能够适应未来发展，融入新兴技术。开放的生态系统吸引了第三方创新者，扩大了混合制造的范围。核心刚性确保模块灵活性中的精确性。

未来的混合动力发展

持续的混合将产生突破性的应用。多金属合金的微观结构可能逐元素发生转变。扩散改变和分级材料成分出现。嵌入式功能元件，如微型保形冷却线和专有电子元件都将在机上制造。批量生产实现了这些壮举。软件将人工任务自动化，最大限度地发挥了人类的聪明才智。机器学习优化流程，节省能源。标准化的安全协议可在协作式数字生态系统中保护敏感的知识产权。随着增材制造、减材制造和相关数字学科的紧密结合，多工序混合生产为我们描绘了一个广阔的未来，通过无限的制造能力塑造我们的世界。

结论

混合制造代表了增材制造和减材制造技术融合的未来。通过将激光熔覆等定向能沉积技术直接集成到数控机床上，制造商可以释放出独立系统无法实现的新潜力。复杂的内部特征、局部多材料集成和零件修复应用成为工业现实。三井精机和 DMG Mori 等领先的原始设备制造商通过率先推出专用混合平台，很早就确立了领先地位。模块化设计将加工头无缝整合为一个自动化多工具生态系统。数字控制可以编排复杂的加减法生产芭蕾舞剧。在飞行推进、成型和医疗植入方面的应用正朝着批量生产的方向发展。虽然混合制造仍是一个新兴领域，但近年来已日趋成熟。主要工业中心都采用了混合制造技术，这表明混合制造技术与生产密切相关。技术对话从一般概念转向完善特定材料和行业规范的集成工作流程。软件则迎头赶上，通过手动编程实现任务自动化。随着该领域的进一步发展，许多可能性仍有待探索。多金属合金、嵌入式电子元件和自动零件维修预示着增材制造、减材制造和数字学科的混合可能会出现什么。展望未来，制造商、研究人员和企业家们将继续拓展技术极限，让我们拭目以待集成生产创新将如何塑造全球工业和社会。