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3D打印能否取代传统的数控机床？
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浅谈CNC加工中心3D打印技术实现的技术原理
& & &&3D打印是最近几年新出现的一个新词，3D打印机的英文名叫“3D
Printers”，这是通俗的一种叫法，比较严谨的学术叫法是“快速成型技术”，它诞生于上世纪80年代，它是基于材料堆积法的一种高新制造技术。
一、增材加工技术和减材加工技术的基本概念
& & &&谈到这，我们不得不讲一下，减材加工技术和增材加工技术。
& & &&简单来说，减材加工是指对一个工件不停的进行削减，以达到其加工要求的加工过程。传统的加工模式，如车削、铣削、镗削、钻削、铰削、刨削以及磨削等都是这种加工模式，它是在工件留有大量加工余量的前提下，进行粗加工到精加工最后到产成品的一系列物理加工过程。这种加工技术有一个缺憾，对异形复杂的工件内部腔体，利用减材加工技术可能难于或者无法加工。
& & &&增材加工技术，是一种不再需要传统的加工刀具、夹具及普通加工设备就可以打造出任意形状的加工技术，它完全颠覆了我们的传统思维，使得“无中生有”变成现实，它可以通过工件的三维模型数据，通过激光喷粉打印头材料累积，结合CNC加工中心的精密加工，可以制作出高精度的实物工件，这项技术被认为是近几十年以来制造领域的一项重大发明。它集机械工程、CAD技术、逆向工程技术、分层制造技术、数控加工技术、材料科学及激光加工等多门学科为一体的新型加工技术。
二、3D打印和CNC加工中心的加工技术介绍
& & &&我们知道，CNC加工中心是高度机电一体化的加工设备，它代表减材加工技术最高制造水准的机床，它可以一次完成工件包括铣、钻、铰、攻、镗等多道复杂工序的加工，特别是异形轮廓及复杂曲面的工件，在CNC加工中心都可以高效、高精的进行加工。但对于异形内腔工件或者不易下刀的工件其加工难度就很大。
& & &&对于这类工件，通过3D打印技术是最佳的选择。利用激光喷粉打印头与CNC加工中心有机融合是工业企业当前实现3D打印功能的最广泛应用。
& & &&我们来看一下它的工作原理，它可以根据工件的形状，每次通过激光喷粉打印头，利用瞬间高温将粉末烧结成具有一定微小厚度和特定形状的截面，通过这个反复过程，达到一定形状后，由CNC加工中心根据设定的加工程序执行自动加工过程，由于这是一个逆向制作过程，之前无法加工或者难于下刀的部位此时还没有制作，包括工件的内壁以及原来难于下刀的部位此时可以轻而易举的完成加工。这是传统的减材加工技术所不可能实现的。
& & &&还有一点是值得我们注意的，3D打印技术在激光烧结粉末的同时我们可以控制喷涂量，也就是说，其加工余量我们可以进行控制。它不像传统的减材加工那样，需要事先预留大量的加工余量，通过粗加工、精加工，经过一系列的加工才能最终变为成品，两者之间对比，我们不难发现，站在节省材料的角度上，3D打印代表的增材加工可最大程度的节约材料，在一些稀缺材料加工上显得尤为重要。
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盘点从传统机床拓展到3D打印的巨头们
增材制造的诱惑力是强大的，IDTechEx预测未来10年的打印机价格与市场份额趋势将呈现V型曲线趋势，目前价格区间在3万美金到30万美金的打印机占据了64%的市场份额，而下一个10年属于高端金属类打印机快速市场增长期，价格超过30万美金的工业级打印机市场份额将达到57%。
　　增材制造的诱惑力是强大的，IDTechEx预测未来10年的打印机价格与市场份额趋势将呈现V型曲线趋势，目前价格区间在3万美金到30万美金的打印机占据了64%的市场份额，而下一个10年属于高端金属类打印机快速市场增长期，价格超过30万美金的工业级打印机市场份额将达到57%。　　下面为您盘点一下究竟哪些传统机床进入到增材制造领域。　　Hamuel / 德国哈缪尔　　Hamuel于2013年推出增材制造混合加工中心HSTM 1000，该设备结合，五轴加工，检验，抛光和于一体。在特别是修复磨损叶片和叶盘方面有着卓越的加工能力。　　DMGMORI / 德马吉森精机　　德马吉森精机LASERTEC 65 3D在5轴数控加工中心上开发组合沉积焊接的AM(增材制造)功能。适合加工的金属粉体材料包括不锈钢、难切削材料因康镍合金(镍基合金的一种)等。　　LASERTEC 65 3D增材制造设备适用于飞机零部件和医疗设备零部件相关的复杂工件(加工对象物)制造与修理。激光沉积焊接采用2千瓦二极管激光，数控铣削加工和可完全自动切换，金属粉末由激光凝固完成积层，再进行数控切削加工。每小时的制造效率最大为3.5千克，料厚对应0.1mm-5mm。相当于传统数控加工和增材制造的结合，用增材制造的方法在一台机床上把形状&堆积&起来，再用数控加工的方法进行轻切，把多余的不符合精度要求的物料切除。　　MAZAK/日本马扎克　　马扎克推出了Integrex i-400am(增材制造)的复合加工设备。Integrex i-400am是成套设备。特别适合于小批量生产的难加工材料，如零部件耐热合金的加工，能源领域工具和零部件的高硬度材料的加工，医疗设备制造中的高精度特种合金的加工。　　制造商可以通过增材制造的方法很容易地生产毛坯件，然后通过数控铣削的方式迅速完成高精度的精加工任务，如果需要的话，还可以完成激光打标的任务。在操作中，该Integrex i-400am采用的是增材制造方法，光纤激光热源熔化金属粉末，熔覆头(即喷嘴)通过读取CAD定义的模型来熔融材料，该系统还可以加入不同类型的金属对象，可以修复现有的磨损或损坏的部件尤其象修复航空涡轮叶片，可以极大的节约成本。　　Matsuura/日本松浦　　松浦-Matsuura的LUMEX Avance-25金属3D打印机，是世界上首个将金属激光烧结增材制造技术与和高速铣削工艺结合在一起的综合制造设备。GE石油天然气集团在其日本新泻县的刈羽(Kariwa)工厂就采用松浦的这一设备来制造特殊配置的Masoneilan控制阀部件以用于整个能源行业的各种应用。　　Sodick/日本沙迪克　　Sodick OPM250L这款打印机采用金属光成型复合加工方法，将利用激光熔融凝固金属粉末的沉积成型与基于切削加工的精加工组合在一起。沙迪克已就这种加工技术与松下签署了授权协议，同时还在自主开发相关技术，已申请了5项专利。沙迪克在OPM250L的产品化过程中充分利用了该公司拥有的基础技术。例如，主要控制轴采用该公司生产的线性马达，激光扫描和切削加工的控制则采用专门开发的NC装置。OPM250L最大成型尺寸为长250&宽250&高250mm，最大载重100kg。　　Hermle/德国哈默　　Hermle MPA 40在立式铣床主轴旁边安装了一个喷射粉末的喷嘴，而在第四、第五轴转台上安装了加热器。在运行过程中，机器根据CAD文件的信息用高热蒸汽推动悬浮在氮气中的金属粉末，并通过一个名叫de Laval的喷嘴以声速的三倍速度喷射到构建对象上，可达到10京帕的压力和高达1000摄氏度的高温。如此巨大的冲击力和由此产生的高温高压，导致单个金属颗粒剧烈变形，并被粘合接触面上。这种&微锻造&可实现多达六种不同的金属进行层积。该MPA技术能够处理的材料，包括热作模具钢、不锈钢、纯铜、铜、钛和铝等材料。MPA 40可处理的零部件最大尺寸可达550毫米高和460毫米直径，重量可达600公斤。　　Cincinnati/辛辛那提　　BAAM，Big Area Additive Manufacturing(大幅面增材制造)是美国能源部下属的橡树岭国家实验室(ORNL)和传统机床制造商Cincinnati公司联手开发的高速大型3D打印设备。大多数系统(金属和聚合物)的打印速度为1立方英寸每小时，而金属和聚合物的最大打印体积不到1立方英尺每小时。而橡树岭国家实验室与Cincinnati之间的伙伴关系BAAM系统开发的关键。通过利用Cincinnati的直线电机技术，得以提高打印速度。　　ELB/德国ELB磨床　　millGRIND是由德国ELB磨床有限公司与Hybrid公司合作研发的产品，是一台连续修正缓进给磨床，复合Ambit激光金属沉积3D打印与铣削功能。　　millGRIND能够在精密磨削、铣削和AMBIT?金属沉积之间自动转换，在加工那些不易使用机器进行加工的材料时，比如镍基超耐热合金。millGrind采用具备超硬磨料性能的常规磨料(金刚砂)，具备1/10微米的(0.0001毫米)的XYZ分辨率。磨轮之间的转换可于数秒内完成，每分钟8000转数的主轴可自动装载铣刀，用于钻孔、攻丝及其它铣削操作。在3D打印某些部件的过程中，就可以完成精密磨削的表面加工。　　IBARMIA/西班牙依巴米亚　　西班牙依巴米亚加工中心(IBARMIA)，以动柱式加工中心、车铣复合中心及加工环形工件的专机(如风电法兰、轴承)而著称。2015年9月，依巴米亚推出了混合功能的3D打印机床，该设备结合了车铣复合加工能力与增材制造技术于一体。五轴、动柱、复合加工中心的特点再加上增材制造，激光熔覆头可以安装在主轴上，其增材制造的模式有两种：优化金属沉积率或优化材料的量分层。第一种模式选择的目标是加快生产速度，而第二种选择的目标是降低成本，通过最大限度地减少必须被后续机械加工来去除的材料。　　Trumpf /德国通快　　与其他的混合型增材制造设备厂商不同的是，激光巨头德国通快推出了纯粹的用于生产的两款金属增材制造设备：激光金属融化(LMF)和激光金属沉积(LMD)设备。LMF系统通过在打印床上逐层铺设粉末来生成零件，生产极度复杂和精致的金属对象。LMD 系统则直接在物体的表面创建熔区并将其与金属粉末融合在一起，适合将指定结构添加到现有工具和对象上虽然金属增材制造领域。　　另外，除了传统机床厂商进入到增材制造领域，也有增材制造厂商进入到传统制造领域推出了混合型增材制造+金属切削设备，例如美国的Optomec。
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