混合打印：什么是混合打印？如何实现？

虽然增材制造与减材制造看起来像是两种截然相反的加工方式，但随着技术不断发展，**混合制造（Hybrid Manufacturing）**所带来的优势正变得越来越明显。

同时集成增材制造和减材制造技术的混合制造系统，有望成为工业制造领域的一项重要技术进步。通过这种方式，两种技术可以形成互补，充分发挥各自优势。

1. 混合制造

将增材制造与减材制造结合使用并不是一个全新的概念。

例如，通过 3D 打印制造的金属零件，在后处理阶段通常会使用 CNC 机械加工，以提高零件的尺寸精度和表面质量。

不过，这两种工艺还可以通过另一种方式进行结合，由此形成我们所说的混合制造（图 1）。

混合制造是指在同一台设备中同时集成增材制造与减材制造技术，从而充分发挥两者各自的优势：

• 增材制造能够实现更高的几何结构复杂度；
• 减材制造则能够提供更高的加工精度和表面质量。

通过这种方式，可以在一个连续的制造过程中完成零件的增材成形和机械加工，从而加快整体生产流程。

当然，在进行混合制造零件设计时，也必须同时考虑增材制造和减材制造各自的工艺要求。

混合制造系统具有多种应用场景，例如：

• 小批量金属零件制造
• 损坏零件的修复
• 磨损零件的再制造

通过结合两种制造方式，混合制造能够在复杂结构设计、精密加工以及生产效率之间实现更好的平衡。

图 1——混合制造（图片来源：DMG Mori）

2. 定向能量沉积

定向能量沉积（Directed Energy Deposition，DED） 是可用于混合制造技术的一种增材制造工艺。

该工艺通过喷嘴将材料输送至成形平台，同时利用激光或电子束将材料熔化并沉积成形。沉积完成后，还可以进一步对零件进行机械加工，以获得更好的表面质量和更高的尺寸精度。

除此之外，也可以直接在已经完成机械加工的零件表面继续添加材料，从而进一步提高零件的几何复杂度。

DED 工艺的另一项优势，是可以在打印头上采用五轴运动系统。借助多轴运动能力，可以对一些复杂几何区域进行打印，而无需额外添加支撑结构。

DED 特别适用于：

• 大尺寸零件制造
• 机械零部件修复

与激光金属粉末熔融工艺相比，这两方面是 DED 较为明显的优势。

另一方面，采用金属粉末熔融工艺制造的零件，通常能够获得更好的表面质量和更高的尺寸精度。

3. 混合打印

本项目的目标，是制造一个由两种不同工艺共同完成的混合零件。

我们首先使用 CNC 加工制造基础零件，随后再通过激光金属粉末熔融工艺，在该零件上打印一个城堡形结构。

严格来说，这不能被称为“混合制造”，而更适合称为混合打印（Hybrid Printing）。因为整个零件并不是在同一台设备上完成，而是分别使用了两种不同设备：

• CNC 铣床
• 金属 3D 打印机

此外，我们还希望通过此次实验研究两种不同化学成分钢材之间的结合能力。

其中：

• CNC 加工零件采用 1.1730 钢
• 上方的城堡结构采用 1.4404（316L）不锈钢金属粉末进行打印

下面将介绍制造图 2 所示零件的具体步骤。

图

图 2——由 CNC 加工基座与增材制造城堡结构组成的混合零件

该项目首先从零件的 3D 建模开始，同时对零件如何固定在 3D 打印机的成形基板上进行了研究。

我们选择了一种相对简单的几何结构：一个带有内部方形空腔的长方体基座，并在其上方增加一个通过增材制造形成的“城堡”结构，也就是说，这一部分必须通过 3D 打印完成。

该城堡结构内部由一系列厚度仅为 1 mm 的薄片结构组成（图 3）。虽然这些薄片本身的几何形状并不复杂，但如果采用其他传统制造方式，加工难度会非常大。

本研究中的另一个重要问题，是如何将混合零件可靠地固定在成形基板上。

一方面，与数控机床不同，3D 打印设备本身并没有用于工件找正或定位的系统；另一方面，如果额外增加夹紧装置，又很容易对打印机原有的运行过程造成干涉。

此外，成形基板仅通过 4 颗螺钉固定在打印机上，这种固定方式并不能充分保证混合打印过程中的稳定性。

因此，团队最终决定在成形基板上预先加工多个孔位，以便针对未来不同混合打印项目的固定需求，提供更多安装和夹紧方式的选择（图 4）。

图 4——成形基板的准备

成形基板及其上所有孔位均以中心轴为对称轴进行布置。

为了避免在将基板固定到打印设备上时出现方向定位错误，团队在基板上增加了一个方向箭头标记，用于指示其相对于铺粉器（Recoater）的位置。

这里所说的铺粉器，是指负责将金属粉末从供粉缸运送并均匀铺展到成形基板上的移动机构，如图 5 所示。

图 5——零件在成形基板上的定位与方向研究

图 6 展示了成形基板准备过程中的其中一个步骤，即使用丝锥进行攻丝加工，为后续零件在基板上的固定做好准备。

图 6——成形基板的准备

图 8——清除未熔化的金属粉末（由易加增材 EP-M150 打印）

在清理完所有金属粉末后，将成形基板从设备中取出，最终的打印结果如图 9 所示。

图 9——打印完成后的最终结果（由易加增材 EP-M150 打印）

图 10 展示了本次实验得到的三个零件。

左侧为未添加增材制造“城堡”结构的基础零件；中间为完成混合打印后的零件；右侧则为该混合零件经过 CNC 铣削精加工后的最终效果。

通过后续机械加工，可以去除打印过程中在混合“城堡”结构外壁形成的表面粗糙纹理，从而进一步改善零件的表面质量和外观精度。

图 11——打印平面示意

此外，还必须确保打印平面上方不存在任何凸出的零件或结构，以避免其干涉铺粉器（Recoater）的正常运动。

换句话说，如果我们希望对具有更复杂几何形状的零件进行混合打印，就必须在设计阶段充分考虑：如何保证新增打印结构与原有零件之间实现可靠连接，同时又不会影响打印设备的正常运行。

本次实验还验证了另一点：即使两种金属材料的化学成分不同，只要材料体系相近，也可以实现混合打印并形成有效结合。

Nuno Boavida
Marinha Grande CENFIM 培训中心培训技术员

关于易加增材金属 3D 打印设备 EP-M150

EP-M150 采用 MPBF™（Metal Powder Bed Fusion，金属粉末床熔融）技术，并提供单激光和双激光打印模式可选，支持 200 W 和 500 W 激光器，适用于高性能、高精度金属零件的快速制造。

该设备兼容多种常用金属粉末材料，包括：

• 钛合金
• 铝合金
• 镍基高温合金
• 马氏体时效钢
• 不锈钢
• 钴铬合金等

EP-M150 已广泛应用于：

工业制造、医疗、教育、齿科、材料研发等领域。

易加增材金属3D打印机EP-M150