1.一般金屬加工可分為三種類型
第一種就是我們常見的減材加工，車銑刨磨以及激光切割等為代表。
第二種是以鑄造、鍛造、沖壓、擠壓，注塑，折彎等為代表的成型加工。
第三種越來越受關(guān)注的工藝增材制造，以3D打印、涂層、堆焊為代表，增材制造的優(yōu)勢(shì)，它能夠生產(chǎn)具有以前傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的幾何形狀金屬部件。
此外，增材制造是一種通過縮短生產(chǎn)交付時(shí)間、來實(shí)現(xiàn)高效小批量生產(chǎn)的合適方法。
增材制造與 CNC 傳統(tǒng)加工技術(shù)的結(jié)合已在各大主流機(jī)床廠家得到應(yīng)用，像DMGMORI MAZAK 松浦等廠家已經(jīng)在市場(chǎng)上銷售這類機(jī)型。復(fù)合加工的概念是實(shí)現(xiàn)金屬增材制造零件實(shí)現(xiàn)精加工交付——實(shí)現(xiàn)形位公差要求和光潔度要求，實(shí)現(xiàn)各類機(jī)械性能的要求。
本文參考MAZAK的一款 INTEGREX i-400 AM 的復(fù)合加工五軸車銑機(jī)床，來作為技術(shù)說明今天參考MAZAK的一款 INTEGREX i-400 AM 的復(fù)合加工五軸車銑機(jī)床，來作為技術(shù)說明。
2.技術(shù)路線
目前，許多公司已經(jīng)推出了采用 SLM 技術(shù)和銑削功能的復(fù)合機(jī)床，作為高性能模具制造的解決方案。在述說之前，先解釋下在實(shí)現(xiàn)增材加工的2種技術(shù)路徑。
Ⅰ.DED Directed Energy Deposition 定向能量沉積 通過噴嘴將金屬粉末或絲材輸送到聚焦的能量束（如激光、電子束等）作用區(qū)域，能量束使粉末或絲材迅速熔化并沉積在基板上，層層堆積形成三維零件。 可實(shí)現(xiàn)較大尺寸零件的制造，對(duì)復(fù)雜形狀零件有較好的適應(yīng)性，能在零件局部進(jìn)行修復(fù)和強(qiáng)化。但尺寸精度相對(duì)較低，表面質(zhì)量一般。
應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的大型結(jié)構(gòu)件制造、機(jī)械零件的修復(fù)與再制造等。LMD Laser Metal Deposition激光定向能量沉積，屬于DED技術(shù)的一種，利用高能量密度的激光束作為熱源，使金屬粉末在激光作用下快速熔化并凝固，逐層堆積形成金屬零件。具有較高的能量利用率，能實(shí)現(xiàn)高精度、高性能金屬零件的快速制造。
可制造復(fù)雜形狀的零件，組織致密，力學(xué)性能良好。不過設(shè)備成本較高，工藝參數(shù)優(yōu)化要求高。常用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、模具等高性能零部件。DED還有2種技術(shù)分別是DED-ARC電弧定向能量沉積，和DED-EB電子束定向能量沉積。
Ⅱ.PBF Powder Bed Fusion 粉末床熔化 將金屬粉末均勻鋪展在粉末床上，利用高能束（如激光、電子束）按照預(yù)先設(shè)計(jì)的零件截面輪廓對(duì)粉末進(jìn)行逐層掃描熔化，熔化的粉末冷卻凝固后形成零件的一層，如此層層疊加直至完成整個(gè)零件的制造。能制造復(fù)雜形狀的零件，尺寸精度高，表面質(zhì)量較好。
可實(shí)現(xiàn)多種材料的組合制造，但成型效率相對(duì)較低，設(shè)備價(jià)格昂貴。應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域制造定制化的植入物、珠寶首飾的個(gè)性化設(shè)計(jì)制造等方面應(yīng)用廣泛。
SLM Selective Laser Melting 選擇性激光熔化，屬于PBF技術(shù)的一種，采用高功率密度的激光束，根據(jù)三維模型切片數(shù)據(jù)，有選擇地熔化金屬粉末床中的粉末，直接制造出三維金屬零件。
能實(shí)現(xiàn)極高的幾何精度和復(fù)雜形狀制造，可獲得致密度高、力學(xué)性能良好的零件。但制造過程中熱應(yīng)力較大，可能導(dǎo)致零件變形，且對(duì)粉末材料要求高。主要用于航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域的精密零件制造。
當(dāng)然PBF技術(shù)還有另外種 SLS選擇激光燒結(jié)，EBW電子束融化。 目前MAZAK選擇了LMD技術(shù)作為MAZAK復(fù)合加工機(jī)的增材制造方法.
使用激光束在金屬基材上形成熔池并將粉末送入該熔池的過程。粉末熔化形成熔合到基材上的沉積物。所需的幾何形狀是逐層堆積的。
Mazak 特別說明，LMD 技術(shù)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是能夠組合各種不同的金屬和合金，對(duì)材料的使用限制沒有PBF那樣嚴(yán)格和麻煩。利用這一顯著優(yōu)勢(shì)的最有效應(yīng)用是材料涂層上面。
如今在石油和能源行業(yè)以及醫(yī)療行業(yè)有許多涂層應(yīng)用要求。該技術(shù)的評(píng)估方法已經(jīng)非常成熟。，有許多案列應(yīng)用在長軸和棒材加工上。與 SLM技術(shù)相比，LMD技術(shù)在這些應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。
3. 應(yīng)用實(shí)例
考慮到上述潛在的使用目的，Mazak開發(fā)了一個(gè)應(yīng)用于石油能源行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例。圖片軸的基材材料是316S31（17%鉻12%鎳奧氏體不銹鋼），具有良好的耐腐蝕性，因此成為海上石油管道的常用材料以對(duì)抗海水腐蝕。
用于增材加工的金屬粉末是鎳基合金 Inconel 718，具有非常適合高溫、腐蝕、抗氧化和抗蠕變環(huán)境的特性。
上圖是整個(gè)加工工藝步驟，采用LMD和CNC 加工的混合工藝，制造ll 6片螺旋涂層凸臺(tái)、12 個(gè)翅片和一圈法蘭管。6 個(gè)凸臺(tái)是在混合工藝中使用精細(xì)LMD和CNC加工制造的。
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4.LMD 工藝評(píng)價(jià)
測(cè)試內(nèi)容包括沉積的 Inconel 718 材料和 316S31 基材之間的連接部分的機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試、硬度測(cè)量和微觀結(jié)構(gòu)觀察。
這些試件未經(jīng)過熱處理。 Inconel 718 材料的抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果幾乎與未經(jīng)熱處理的熱軋 Inconel 718 相當(dāng)。
在沉積的 Inconel 718 材料和 316S31 基材之間的結(jié)合部分的拉伸強(qiáng)度測(cè)試中，斷裂點(diǎn)在基材 316S31 一側(cè)，因?yàn)榛?16S31抗拉強(qiáng)度低于沉積材料Inconel 718。
表明沉積的 Inconel 718 材料與 316S31 基體之間的結(jié)合強(qiáng)度高于 316S31 基體本身的機(jī)械強(qiáng)度。
因此， LMD 有可能從根本上改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造流程。
