这个混合加工方法的突出优点之一是允许堆焊多层的不同材料。根据选用的激光器与喷嘴几何参数，堆焊的壁厚从0.1 mm到5 mm，能生成复杂的3D轮廓和几何形状。由于激光堆焊和铣削加工可方便地相互切换和交替进行，使得能够在零件堆焊成形过程中间，精铣工件在成形完后刀具无法到达的部分。典型案例是一喇叭状涡轮增压壳体，底端有带分布孔的法兰，需铣削外圆、平面和钻孔，喇叭外周有12个接头，需焊接、铣削、钻孔等，喇叭口的大于底座的法兰，造成法兰上的孔难以加工。如图7所示。按照传统的制造观念，这是一个工艺性极差、几乎无法在一台设备上加工完毕的零件，但是混合加工却创造了现代制造的奇迹。

图7: 涡轮增压壳体的12道混合加工工序

一般来说，能源或航空航天工业用的数控机床都非常昂贵。因此，用同一台机床进行粗加工、堆焊和精加工将带给客户巨大的经济利益。此外，能源和石油工业的零件通常需要喷涂耐蚀合金，避免磨损。堆焊技术能保护许多应用于恶劣环境中的产品，例如管接头、法兰和特殊结构件。

LASERTEC 65 3D机床的亮点是巧妙结合激光堆焊技术与铣削技术，实现最高的表面质量和工件精度。配粉末喷嘴的激光堆焊比粉床方式的增材制造速度快10倍，金属粉末的利用率高达80%。可加工完整3D工件，最大直径达500 mm，不需要任何支撑构造，甚至可形成悬垂轮廓，直接加工成品件上无法加工到的部位。

德马吉森精机公司最近又推出Lasertec 4300 3D混合加工机床，将同样的增材制造技术与铣削/车削集成，可加工Φ660mm和长1,500mm的工件，进一步为产品设计师开辟新的创新空间。

3.2 3D打印堆焊头

美国混合制造技术（Hybrid Manufacturing Technologies）公司推出结构紧凑的3D打印堆焊头，具有与铣刀锥柄相同的接口，可安装在加工中心刀库中，像刀具一样进行交换。如图8所示。

图8: 美国混合制造技术的堆焊3D打印头

当机械手将堆焊头插入主轴后，连接激光光源、供粉和供气管道的接口座随即移至相应位置，插到堆焊头上，接通各种供应，即可开始工作。由于这种“功能部件”的堆焊头使用方便，颇受各国机床制造商的欢迎，例如，日本马扎克的Integrex i400 AM 增材制造车铣加工中心就采用这种堆焊头，其外观如图9所示。

4  Fabrisonic的超声增材制造

美国Fabrisonic公司是一家与众不同的工业级三维打印机生产商。该公司使用爱迪生焊接研究所的专利开发了一种将超声波焊接与数控加工结合起来的技术，称为超声增材制造（Ultrasonic Additive Manufacturing–UAM）。超声增材制造与LSA、FDM、SLS等增材制造（3D打印）工艺不同，不是采用液态树脂固化、丝材熔融涂覆或激光粉末烧结，而是用超声波去熔融带状金属薄片，一层层叠加起来，从而实现基于叠层制造（Layer Manufacturing）原理的三维打印。超声增材制造与分层实体的薄材选择性切割（LOM）有些类似，不过不是将纸用激光轮廓切割后一层层粘接成零件，而是使用频率高达20,000Hz的超声波施加在金属片上，借助超声波的振荡能量使两个需焊接的表面摩擦，构成分子层间的熔合，然后以同样的原理逐层连续地焊接金属片，并同时通过机械加工来实现精细的三维形状，从而形成坚实的金属物体。借助Fabrisonic的方法可以同时“打印”多种金属材料，如铝、铜、不锈钢和钛合金。由于超声焊接的工作温度很低，不会产生不必要的金相变化。该工艺能够使用成卷的铝或铜质金属箔片制造出有高度复杂内部通道的金属部件。

大多数金属三维打印机成形效率较低，小于100cm3，且工作空间有限。Fabrisonic公司的SonicLayer系列超声增材制造机床的打印效率能达到250cm3~500cm3，其工作台面积为1000mm×600mm，机床外观和工作空间如图9所示。

图9: 超声增材制造机床的外观和工作空间

从图中可见，SonicLayer 4000超声增材制造机床的结构分为两部分，中间是用于铣削加工的主轴，功率为19kW，转速为 8000 r/min；右侧为9kW的超声增材制造焊头，焊接力1,200 kg，最大进给速度为5,000mm/min，用于增材制造金属零件。

由此可见，这种超声增材制造设备是在3轴数控机床的基础上衍生出来的，焊接过程可以在任何时点停止，然后再用机械加工做出内部的三维通道。然后再用增材制造将其密封起来。

由于电子设备往往会产生热量，热管理组件往往会成为设计的关键部分。这种热交换器装置过去是借助数控机床加工而成的，但机加工在创建复杂的通道以及阵列式的交叉钻孔和内部路径的能力十分有限。而如今可以通过超声增材制造来制造出拥有复杂内部通路的金属部件，使其具备良好的热传导性。因为超声增材制造工艺是固态的，温度低于250℃，没有达到金属熔化温度。超声增材制造工艺可以用来将导线、带、箔和所谓的“智能材料”比如传感器、电子电路和致动器等完全嵌入密实的金属结构，而不会导致任何损坏，从而为电子器件的设计带来新的可能性，如图10所示。

图10: 超声增材制造的典型应用

 5  结语

增材制造与传统切削加工的集成在一起，解决了许多传统加工方法，包括3D打印的难题，为产品设计师开创拓了的新的创新空间，成为智能制造的一支新的生力军。

参考文献

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[2]B Lauwers, F Klocke, A Klink, et al. Hybrid processes in manufacturing[J]. CIRP Annals – Manufacturing Technology, 2014, 63(2):561–583.

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