混合金属制造的力量：利用三维打印和传统方法

混合金属制造集成了增材和减材工艺，以优化金属零件的设计和生产。这篇文章详细介绍了如何将三维打印、机械加工、成型等工艺结合起来，为各行各业寻求性能更强的复杂定制金属部件提供新颖设计。

混合金属制造：传统与技术相结合

制造新方法

传统的混合金属制造工艺正在被金属的可能性所改变。 三维打印 这些新技术和增材制造技术可以开发出制造过程中未曾使用过的新形状。但是，这些新技术在构建的尺寸和复杂性、可能的分辨率以及材料特性方面也受到限制。

融合两个世界的精华

所提出的方法是将增材制造与传统金属加工技术协同使用。复杂的内部结构可以 3D 打印部件 在更大的加工范围内。可以高精度加工复杂的外表面。可将具有优化性能的不同合金连接在一起。

这种混合方法开辟了新的功能，提高了部件性能。通过整体设计，可以减少或消除复杂的装配步骤。重量更轻但强度更高的部件可节省材料成本并提高可持续性。

混合金属制造的未来在于根据特定零件的要求有效地混合这些技术。研究人员和工业界都在积极探索新的混合工作流程，以将金属制造提升到新的水平。

背景和定义

本文将增材制造（AM）（又称三维打印）定义为通过层层叠加材料的工艺制造三维零件的技术。就金属 AM 而言，这意味着使用高功率激光或电子束熔化材料，同时在逐层过程中将金属粉末粘合在一起。传统的金属加工方法包括切割、弯曲和穿孔等机械操作。铸造、锻造、弯曲等制造工艺则是通过成型或机械压力对金属进行塑形。焊接和钎焊等连接技术则是将独立的金属部件熔接在一起。

混合金属制造技术战略性地结合了这些增材制造和传统方法。AM 可用于其他方法无法实现的复杂内部几何形状或轻质晶格结构。传统机械加工可提供所需的高精度表面和小公差。汽车应用中使用的合金，如高强度和高耐腐蚀性，可以毫不费力地结合在一起。这种方法的整合利用了每种方法的优点，同时克服了它们的影响，从而生产出功能强大、性能优异、成本效益高的产品，可用于以下领域 航天, 电子学, 医疗以及其他行业。

混合制造的动机

采用混合金属制造技术有几个主要动机：

• 它可以生产出复杂几何形状的零部件，而传统方法是无法做到这一点的。
• 内部特征可通过添加技术进行优化，以满足强度、重量或功能要求。
• 外表面和活动部件的精密度和更严格的公差要求传统的加工能力。
• 不同的金属材料，如高强度或耐腐蚀的合金，可针对不同的应用进行优化连接。
• 总之，与传统方法相比，它能以更低的成本设计和生产出功能更强的结构。
• 审查范围

本综述将概述混合金属制造的当前研究和应用。它将概述在创新的新工作流程中结合使用的一些关键增材制造技术和传统技术。此外，还将分析航空航天和生物医学等行业结合不同方法制造复杂金属零件的一些实例。此外，还将重点介绍这一愿景的局限性以及在实施过程中可能遇到的一些问题。

本综述的目的不仅在于介绍下一代混合金属制造技术的现状，还在于讨论本文将讨论的混合方法可能带来的未来发展。

混合制造的分类

根据与传统技术相结合的阶段，混合金属制造主要有几种分类：

• 后处理混合技术使用机械加工等减法方法来改善快速成型零件的表面光洁度。
• 近净成形混合技术旨在通过在三维打印精细细节之前进行初步的传统成形，缩短加成型的交付周期。
• 多材料混合物将具有不同特性的不同 AM 制成合金结合在一起。
• 公差混合机利用铣削或车削的精度，按照技术图纸加工 AM 预型件。
• 拓扑混合器通过 AM 和该结构的传统连接优化内部结构。
• 混合金属制造技术

发展时间表

金属 AM 诞生于 1980 年，至今已走过了漫长的历程。最初的技术涉及 SLS 以及使用相互连接的聚合物粘合剂进行金属三维打印。2000 年代，粉末床熔融和定向能沉积技术实现了现代化和商业化。近年来，高性能合金以及多材料和多孔材料的三维打印已成为可能。 多材料 3D 打印.

AM 工艺的分类

金属 AM 技术总体上分为两类：粉末床熔融和定向能沉积工艺。在粉末床熔融工艺中，金属粉末是通过激光或电子束等热能手段连续施加薄层金属粉末粘合在一起的。新的粉末层沉积后熔合在一起。定向能沉积是通过聚焦热能（激光或电子束），在材料（粉末或金属丝）逐层沉积时将其熔化。

粉末床熔融工艺

选择性激光熔融（SLM）和电子束熔融（EBM）是粉末床熔融工艺的两种基本方法。在选择性激光熔化工艺中，激光只需扫过粉末床，即可将特定颗粒与另一颗粒熔化。在 EBM 中，金属粉末通过聚焦电子束熔化。部件可以通过层叠方式从三维模型数据的不同层次中构建。

定向能沉积工艺

定向能沉积（DED）工艺包括激光工程网成形（LENS）和电子束自由成形制造。A 熔融沉积模型 在沉积材料（如金属丝或粉末）时，使用热能将其熔化。该工艺通过在现有零件上沉积材料，实现维修或混合金属制造。无需支撑结构，可直接制造零件。

多热能源混合快速成型技术

人们对利用激光和电子束等多种聚焦热能源的混合 AM 方法越来越感兴趣。这样就能将不同能量与材料相互作用的优势结合起来。

激光辅助 GMA-DED / PA-DED

GMAW-DED 或 PAW-DED 利用气体金属弧或钨极氩弧焊。 等离子切割 焊枪沉积焊接材料。同轴激光器提供额外的局部加热，以提高沉积速度和控制能力。这改进了活性合金的沉积，并实现了异种材料的沉积。

激光辅助 GTA-DED

GTAW-DED 使用气体钨极氩弧焊枪进行材料熔敷。激光对焊接熔池进行补充加热，以改善几何形状控制。这有利于铜等高导电性难焊接合金的 AM。

分析与挑战

利用双能源输入可以提高设计的灵活性，但也会带来工艺控制和优化方面的复杂性。必须考虑能量耦合、排序和定位等因素。此外，还需要分析多源加热产生的残余应力和变形。进一步的工作旨在全面鉴定这些先进混合金属制造方法的材料性能。

混合增材制造与材料去除工艺

将材料去除与混合金属制造相结合，可拓展设计空间并提高零件质量。这通常在沉积后进行，但也可以在制造中期进行。

生产过程中的整合

一种常见的方法是在 AM 之前对基底或底板进行粗加工。这将确定初始零件的几何形状和夹持表面，以便在后续沉积过程中进行安全夹持。

另外，关键特征的初始 "预成形 "可以采用加成法制造，然后使用减法工具进一步成形。例如，复杂的冷却通道可先通过激光金属沉积进行粗加工，然后再进行精加工以达到最终尺寸。

形状沉积制造（SDM）等一些技术在垂直沉积层之间使用铣削技术。这样可以细化粗糙的倾斜表面，并为下一次沉积保留位置精度。

这项工作还旨在开发过程中的加工能力。可伸缩工具头可在构建过程中清除支撑结构，或实时修改沉积轨迹和几何形状。

挑战和解决方案

整合材料去除功能有可能会损坏或降低沉积材料的性能。 激光切割技术 润滑剂和冷却剂的选择必须谨慎，以免与合金发生反应或削弱合金的性能。

夹具的坚固性对于后加工零件的精确定位至关重要。在加工过程中，需要紧密协调的多机头系统。局部加热-冷却产生的残余应力使零件的稳定性更加复杂。

为解决这一问题，许多混合金属制造工艺采用超声波或激光烧蚀等非接触式加工方法，以避免机械应力。实时过程监控还能对各个制造步骤进行反馈控制。

金属混合增材制造与成型工艺

热处理工艺

快速成型零件通常需要经过固溶和退火热处理，以消除内部应力和细化晶粒结构。一些混合金属制造技术将局部热处理直接集成到快速成型工艺中。

例如，激光辅助直接金属沉积可以在熔池区域的材料凝固时立即将其溶解。这可以提高屈服强度，并解决脆性等问题。

HIP 和冷加工

热等静压（HIP）可将多孔沉积材料致密化，使其接近理论密度，从而提高性能。有些方法在建造过程中使用 HIP 有选择地对承重区域等区域进行致密化，同时保留晶格结构。

此外，还采用了冷轧、喷丸强化和其他表面处理工艺，以实现加工硬化的效果，而不会因批量加工而产生变形。

与批量成型工艺相结合

锻造

开模或闭模锻造用于将快速成型的预型件加固和变形为网状或接近网状的部件。最初的快速成型设计可优化材料放置，以实现无缺陷的有效成型。

弯曲和旋转

板材层压或线性沉积技术可通过后期的旋压或弯曲操作（如流动成型）形成圆柱形或圆锥形混合金属制造部件。

与板材成型工艺相结合

具有设计异质性的片状材料可通过加成法加工，然后使用传统的冲压或液压成形方法成型为复杂的三维形状。通过添加剂图案化实现的分级刚度提高了成型延展性。

与成型工艺的连接一体化

基于挤压的自动成型技术可实现混合金属制造组件的锻造式连接和成型。最初的轮廓可以通过加成法沉积，然后利用局部加热和压缩进行连续连接和加固。这样可以生产出复杂的 集成金属框架.

结论

混合金属制造是一个快速发展的领域，它充分利用了快速成型技术和传统金属加工技术的优势。通过在部件生产的不同阶段战略性地整合不同工艺，制造商可以制造出几何形状复杂、性能优化的金属部件。通过混合工作流程实现的定制设计自由度和材料特性，将继续拓展金属制造产品的应用潜力。

然而，要充分发挥这种方法的能力，还需要进一步的开发。对多机头同步、组合输入的过程控制方法和稳健的夹具解决方案进行更多研究，可以提高零件质量和制造的可重复性。此外，可能还需要新的金属合金配方和热处理程序，以适应集成加工路线的需求。必须继续制定标准，对关键行业的混合金属制造部件进行鉴定。

常见问题

问：有哪些常见的混合制造工作流程？

答：常见的方法包括复杂型芯和嵌入件的混合金属制造与外表面的传统机加工、通过焊接连接不同合金的增材分层，以及将成型、热处理或连接与 3D 打印预型件相结合。

问：混合制造有哪些优势？

答：与单纯的快速成型方法相比，它可以优化各种混合金属制造技术的零件设计，通过多材料集成提高性能，减少装配步骤，并获得更严格的公差。

问：混合制造存在哪些挑战？

答：整合不同工艺有可能造成损坏或降级，多步加热/冷却产生的残余应力需要复杂处理，紧密同步的多机头系统需要完善工艺控制。

问：哪些行业正在采用混合技术？

答：主要行业包括航空航天、医疗保健、汽车和能源，这些行业对强度、复杂性和定制化的要求推动了创新的金属制造方法。