混合制造：增材制造与减材加工相结合的数控加工

几十年来，这场辩论一直被视为一场竞赛： 3D 打印与数控加工、增材制造与减材制造、逐层制造与逐芯片制造……这些行业，包括航空航天、能源和医疗等材料消耗量最大的行业，已经通过结合增材制造和减材制造的方式，基本解决了这一争论。混合制造是指将增材制造和减材制造工艺结合起来，有时甚至在同一台机器中完成，以生产出任何一种工艺都无法单独制造的零件。本指南将介绍混合制造的本质、它与纯增材制造和纯减材制造工作流程的比较、它已占据主导地位的垂直行业，以及它未来的发展方向。 STYLECNC模具铣削能力正好满足需求。对于底层 3D 打印与数控雕刻对比入门指南，请参见 3D 打印机与 3D 数控雕刻机对比.

什么是混合制造？

混合制造结合了增材制造（3D 将增材制造（打印或金属沉积）和减材制造（数控加工）工艺整合到单一工作流程或单台机器中。增材制造步骤利用金属粉末或金属丝构建近净成形几何形状，而减材制造步骤则在同一工况下完成关键表面、内部特征和高精度尺寸的加工。

混合制造主要有两种形式。第一种是单机混合制造，其中增材制造头和数控铣削主轴共用同一个机箱、同一个轴和同一个工作空间。DMG MORI Lasertec 65 3DMazak Integrex i-400AM 和 Okuma LASER EX 是最常被提及的例子。第二种是混合工作流程，其中 3D 打印机先打印零件，再由另一台数控机床进行精加工，这两个工序作为一个连续的流水线进行管理。这两种形式在行业文献中都属于混合制造范畴。

其显著特征在于意图。一家商店经营着一家 3D 打印机放在一角，铣床放在另一角，这并不一定意味着在进行混合制造。如果一家工厂在设计零件时，预先考虑到某些特征将以近净成形方式打印，而另一些特征将以精密加工方式加工，那么无论这两种工艺是否共用一台机器，它都在进行混合制造。

加法、减法和混合法：权威对比

下表从生产环境中影响流程选择的各个因素出发，对三种方法进行了比较。此比较旨在为正在研究各种方案的买家提供重点信息。

最显著的区别在于材料投入产出比。传统的钛合金航空航天支架减材加工通常会去除95%的原材料，导致材料投入产出比高达20:1。而混合制造工艺首先制造出接近最终形状的部件，然后仅加工关键表面，从而将材料投入产出比降低到接近1:1。对于每公斤成本高达数百美元的镍基高温合金和钛合金而言，仅此一项材料节省就足以让许多航空航天和能源生产商认为这项投资物有所值。

混合制造的工作原理

混合制造结合了 3 项核心技术：沉积系统、数控加工系统和集成 CAD/CAM 软件，该软件针对同一零件模型对两种工艺进行编程。

定向能量沉积加五轴铣削

目前主流的工业加工模式是定向能量沉积（DED）结合五轴铣削。激光束或电子束熔化金属粉末或金属丝，同时通过同轴喷嘴送入，逐层构建近净成形特征。之后，同一台机器从沉积头切换到铣削主轴，对关键表面进行精加工，达到所需的公差。DMG MORI Lasertec 65 3D Mazak Integrex i-400AM 是参考实现方案。据业内报道，Lasertec 65 3D 可加工直径达 500 毫米的零件，并将五轴材料沉积与完整的五轴铣削功能集成在一个机柜中。

粉末床熔融加减材精加工

第二种模式采用粉末床熔融（PBF）技术，在一台机器上打印零件，然后将其转移到另一台机器上。 数控铣床 用于精加工。这种工作流程在小型加工车间更为常见，因为它避免了购置集成式机床的巨额资本投入。其缺点在于工序间需要进行零件搬运和重新装夹。Matsuura Lumex 和 Sodick OPM 平台则将这种工作流程压缩到一台机床上，用于加工更小、更复杂的零件。

线切割电弧增材制造加数控铣削

电弧增材制造 (WAAM) 使用焊接式喷头以远高于粉末基增材制造的速率沉积材料，通常与五轴铣削相结合进行精加工。马扎克 Variaxis j-600AM 就采用了这种方法。WAAM 因其在航空航天和能源领域大型结构制造方面的优势而备受青睐，在这些领域，沉积速度比精细分辨率更为重要。每种图案都遵循相同的基本设计理念：高效地构建近净成形，然后进行精密加工。

选择这三种加工模式取决于零件尺寸、材料和精度要求。DED结合五轴铣削工艺主要应用于航空航天和大型能源部件，这些部件直径超过200毫米，且通常采用钛或镍基高温合金。PBF结合减材精加工工艺则适用于直径小于200毫米的小型复杂零件，这类零件的表面细节比成型速度更为重要。WAAM结合CNC铣削工艺则主打超大型结构件，这类零件的沉积速度是关键因素，而表面光洁度要求则相对较低。大多数生产级混合型加工车间最终都会采用不止一种加工模式，根据零件的具体情况选择合适的工艺，而不是让所有零件都使用同一台机器。

行业应用领域：航空航天、能源、医疗和维护、维修和大修 (MRO)。

混合制造在 4 个垂直领域取得了最稳固的地位，每个领域都有其特定的经济或技术驱动因素。

航空航天

航空航天业是首个大规模采用混合制造工艺的行业。发动机支架、涡轮叶片、结构件和火箭发动机部件是典型的应用领域，尤其是在钛合金和镍基高温合金方面。制造技术中心的研究表明，与传统的减材制造方法相比，混合制造工艺可使复杂航空航天部件的生产成本降低23%至47%。DMG MORI Lasertec 6600 DED混合机床专为大型工件（包括火箭发动机部件）的加工而设计。

新能源

能源生产商采用混合制造技术生产油井管道、涡轮叶片、阀体和大型轴，该技术可在成本较低的基材上沉积耐磨层，然后再进行机械加工。管道和井下工具的维修已成为该技术的主要应用领域：磨损的高价值部件通过定向能量沉积（DED）技术添加新材料，然后加工至原始规格。当更换零件的成本高达 50,000 万美元甚至更高，而混合制造的维修成本仅为其一小部分时，其经济效益就非常显著。

医疗行业

医疗制造将混合工作流程应用于患者定制的植入物、手术器械和牙科修复体。钛合金髋关节和膝关节植入物受益于促进骨整合的多孔增材结构，并结合了镜面抛光的机械加工接触面。混合制造还支持颅颌面手术的快速定制，因为每个患者的病例都独一无二，传统的制造方式难以奏效。

维护、修理和大修 (MRO)

MRO（维护、维修和大修）是增长最快的混合应用，因为它解决了长期存在的维修经济性问题。磨损的喷气发动机叶片、齿轮箱壳体、模腔和泵部件可以通过在受损区域沉积新材料，然后将修复后的表面加工至原始公差来修复。马扎克Variaxis j-600AM专为这项工作而设计，它将电弧增材制造与五轴减材制造相结合，集成于一次装夹中，尤其适用于航空航天零件、模具、冲模和石油钻井部件。

在所有四个垂直领域中都存在一个共同的模式：混合制造在零部件价值高且传统方法难以奏效的领域取得成功。航空航天和能源行业的材料成本最高，医疗行业对定制化的需求最大，而MRO（维护、维修和大修）行业的零部件更换成本最高。不具备这些特征的行业，例如一般消费品、通用汽车零部件和大批量铝加工，采用混合制造的速度则相对较慢。当材料成本低廉、产量高且零部件可互换时，混合制造的经济效益并不理想。

决策矩阵：混合制造何时适用

在评估给定零件或生产场景是否适合采用混合制造而非纯增材制造或纯减材制造方法时，请使用下面的矩阵作为初始框架。

该矩阵只是一个初步框架，并非最终答案。单个零件的经济性取决于机器可用性、编程人员的专业水平、采购时的材料成本以及客户特定的质量要求。普遍适用的模式是：当材料昂贵、几何形状复杂且产量中低时，混合加工模式更具优势。

模具制造：混合技术的融合 STYLECNC能力

模具制造处于所有混合制造驱动因素的交汇点。模腔几何形状复杂，材料为昂贵的工具钢，产量低（每个设计仅需一到几个模具），而客户要求的表面光洁度只有机械加工才能实现。贯穿模具以控制注塑过程中热行为的随形冷却通道，就是一个典型的混合应用：传统钻孔方式难以实现，增材制造却易于完成，而精加工则只能通过精密铣削来实现。

STYLECNC工业模具铣削能力是围绕着这个等式中的减材部分构建的。 数控模具制造机类别 包括用于加工硬化工具钢、铝制模具和大型多腔生产模具的全自动模具铣​​床。对于已经采用传统方式生产模具并正在探索混合工作流程的工厂而言， STYLECNC用于模具制造的全自动数控铣床 处理由外部增材制造系统生产的近净成形模腔的精加工工序。

此 五轴数控机床类别 扩展了混合模具精加工所需的多轴表面加工能力，尤其是在随形冷却工具表面和复杂型腔几何形状上。 STYLECNC带自动换刀装置的数控成型机 完善生产环境的图景，其中多个工具和操作通过单个设置按顺序进行，减少了传统上将增材制造和减材制造工艺步骤分开的操作。

对于航空航天、能源、医疗和MRO（维护、维修和大修）行业的企业而言，从纯减材制造向混合工作流程转型，切实可行的切入点是先升级减材制造部分。配备自动换刀装置和经过验证的后处理器的五轴加工中心能够与第三方供应商的增材制造系统无缝集成，使企业无需在初期就投入100万至200万美元购置单机集成系统，即可测试混合工作流程。

分阶段采用路径通常分为三个阶段。第一阶段介绍 3D打印夹具、工装和软爪与传统的数控模具铣削相结合，在不改变零件制造工艺的前提下，节省了模具制造的时间和成本。第二阶段增加了一套独立的金属增材制造系统，用于原型和小批量零件的制造，并与现有系统配合使用。 数控机床 通过人工转移完成精加工工序。第三阶段要么采用集成式单机混合系统，要么将双机工作流程规范化为生产流水线，实现共享编程、调度和质量控制。每个阶段都有可衡量的回报，遵循此路径的工厂往往比那些在了解哪些零件真正需要混合系统之前就购买单机混合系统的工厂做出更明智的混合投资决策。

词汇表：混合制造术语

在比较混合型机器、与供应商交谈或查阅行业技术文档时，请使用此参考资料。

常見問題解答

混合制造工艺会取代传统的数控加工吗？

不。《实用机械师》杂志上关于“增材制造对减材制造的影响”的讨论反映了更广泛的行业共识：混合加工并不能取代减材加工在大批量生产常用材料方面的应用。它通过加工纯机械加工无法经济高效制造的零件（包括复杂几何形状、昂贵合金以及高价值部件的维修）来补充减材加工。大多数生产车间在新增混合加工能力的同时，仍会继续使用专用数控机床。

混合式制造设备的成本是多少？

像DMG MORI Lasertec 65这样的单机混合系统 3D 据 VoxelMatters 和 Modern Machine Shop 等行业媒体报道，Mazak Integrex i-400AM 的单台售价在 1 万至 2 万美元之间。采用混合工作流程的方案，即一个独立的增材制造系统为另一个独立的数控机床供料，虽然逐步构建的成本显著降低，但需要精心规划工艺流程，以管理零件在不同机器间的交接。

哪些材料最适合混合制造？

钛、镍基高温合金（如Inconel 625和718）、工具钢（如H13、P20）以及不锈钢是混合制造文献中记载最多的材料。由于每公斤材料价格高达数百美元，近净成形增材沉积带来的“即买即用”性能提升在经济效益方面最为显著，因此使用昂贵的材料更具优势。铝的混合制造应用较少，因为铝的价格足够低，传统的机械加工方式仍然经济实惠。

混合制造工艺能否修复磨损部件？

是的，MRO（维护、维修和大修）是增长最快的混合应用案例之一。SME 和 Modern Machine Shop 等行业媒体的报道指出，马扎克 Variaxis 平台可用于在磨损的喷气发动机叶片、模腔和石油钻井部件上沉积新材料，然后将修复后的表面加工至原始公差。这种混合修复方式之所以经济可行，是因为其成本通常仅为更换原件成本的一小部分。

混合制造需要哪些软件？

需要能够在同一模型中处理增材和减材编程的CAD/CAM平台。西门子NX混合CAD/CAM、带有增材模块的Autodesk PowerMill以及DMG MORI CELOS等机床制造商的专有软件占据了市场主导地位。混合机床的编程需要同时具备增材沉积参数和传统CAM方面的专业知识，这也是行业应用研究中指出的主要劳动力挑战之一。

对于小型加工车间来说，混合制造模式值得采用吗？

这取决于业务组合。包括中小企业和增材制造行业出版物在内的行业消息来源表明，混合式生产模式在航空航天、能源、医疗或MRO（维护、维修和大修）等行业中，对于生产中低批量、使用昂贵材料的加工厂而言，投资回报最快。而专注于大批量生产铝和低碳钢等常见金属的加工厂，则很少能证明这种模式的资本投入是合理的。一种常见的进入策略是使用 3D印刷夹具和软爪与传统夹具并存 数控 在投资集成混合硬件之前。