增材制造（AM）通过引入设计灵活性、材料利用率以及性能优化的机会，彻底改变了传统制造业。然而，实现质量的一致性——尤其是在大规模生产中——仍然是一项挑战。 为应对这一挑战，航空航天、核能、医疗等涉及关键任务应用的行业通常会采用热等静压 (HIP) 工艺对部件进行后处理。 此举可消除任何内部气孔、空隙、微裂纹及未熔合（LoF）缺陷，从而提升机械性能，并确保部件在相应应用中达到最高的可靠性。
实现更高的制造率，特别是 PBF-LB 技术的制造率，可以在结合 AM 的最佳功能的同时大幅降低成本：设计具有小尺寸特征的部件，并以最短的准备时间和较低的成本批量生产这些部件。
在过去几年中，AM（尤其是 PBF 技术）的大部分研发工作都集中在提高沉积率上，采用的策略包括熔点倍增（如平行激光）、热源优化（如光束整形）、原材料改进（如流动性和填料）以及特定沉积策略（如在粉末铺展过程中进行印刷）等。这些改进的综合效果使沉积速率在摩尔定律的轨道上大幅提高。然而，对于许多大批量应用来说，这种方法仍然被认为速度太慢、成本太高，因此无法通过使用基本的自动成型技术来发展这些应用。
在提高加工速度时解决生产率与质量的两难问题
通过采用增材制造（AM）与HIP相结合的制造策略（图1），可以成倍提升当前及可实现的增材制造沉积速率，这为经济高效的大批量制造提供了巨大机遇。 该策略的技术可行性已通过全球多家知名研究机构和大学的多项研究活动得到验证（参见参考文献列表），这些研究表明，该策略不仅能够解决增材制造的基本生产率问题，还能达到通常仅见于关键任务应用的质量水平。 这为增材制造在大批量、对成本敏感的应用领域开辟了机遇，通过采用轻量化部件设计，可降低制造成本、缩短交货周期、提高材料利用率并节约能源。
提高PBF的生产效率，以完全消化HIP的资本支出
在研发工作中，人们意识到技术上可行与经济上可行之间往往存在差距，这将成为进一步创新的障碍。快速打印 “战略表明，PBF 沉积率可提高到标准打印率的十 (10) 倍，直观上使其成为建立 AM 制造流程的首选。然而，对于单个原型和小批量生产的部件来说，打印时间（打印机制造部件的实际时间）与打印机占用的总时间（装载/卸载、气体吹扫等）之间的比率较低，情况并非如此。
然而，对于大规模生产而言，即实际构建时间占打印机总忙碌时间的大部分，在一个构建板上打印多个组件，使用多台并行打印机，以及打印大型单个组件需要数天甚至数周时间，很明显，即使沉积速率只有很小的改进，也会对可能的生产量产生重大影响。
通过计算不同的高产量打印场景，可以直观地展示（图2）采用“增材制造（AM）+热浸淬火（HIP）”方案所带来的额外效益何时达到HIP资本支出的盈亏平衡点（“免费HIP”）。也就是说，这是促使企业最初采用该策略所必需的回报场景。
事实上，即使将打印速率提高1.25倍（例如，使用Herzog等人研究中展示的PBF-LB参数窗口），也可以证明该策略在大批量生产场景下在经济上是可行的。 也就是说，无需额外成本即可生产基于增材制造技术的零件，并获得与HIP工艺同等质量的部件。
准备实施的进一步改进措施
除了“增材制造（AM）+ HIP”策略所带来的潜在成本降低外，现代 HIP 设备还具备一些功能，这些功能使得进一步的工艺集成成为可能：
原位热处理：在致密化过程中于HIP设备内进行热处理，在可行的情况下将部件保留在构建板上，并根据所加工合金的具体情况，进行必要的热处理（消除应力）和特定热处理（提高力学性能）。
清洁HIP：在HIP/热处理过程中使用Quintus Purus®来减少表面氧化，从而省去额外昂贵且耗时的工艺步骤。这一优势对于在标准HIP处理过程中容易形成脆性α表层的钛合金而言尤为显著。
探索新策略：利用 LoF 缺陷引发再结晶或部分熔化粉末颗粒，最大限度地减少近净成形 (NNS) 印刷方案中先前颗粒边界 (PPB) 的影响。
低垂的果实和剩余的挑战
对于那些已采用PBF和HIP技术并投入运营、且服务于关键任务行业的企业（例如大关节医疗植入物领域），实施快速打印战略将带来显而易见且立竿见影的效益。 这可以在无需增加资本支出的情况下，实现产量的显著提升。然而，要把握上述机遇，还需考虑并厘清一些与沉积技术相关的特定因素，从而针对目标应用和材料选择最佳策略：
1.印刷工艺气体或真空
- 高浓度的夹杂氩气可能会降低疲劳和冲击能量特性（尽管尚未确定极限值）。
- 氮气工艺气体可用于对某些材料进行额外的原位合金化，并可在印刷后获得更高的孔隙率
- 在真空中打印可实现完整的 PM-NNS 战略（PBF-EB）
2.外壳印刷（印刷一个气密外壳，内部留有散粉）
- 设计足够平滑的壳核过渡，以处理熔融粉末-烧结粉末界面的宏观纹理
- 粉末压实的再现性和精确的收缩率计算
由于这些因素的后果和解决方案已在相关研究中有所了解，因此，了解这些因素将有助于采取正确的速度/质量优化策略。
结论
增材制造（AM）与热等静压 (HIP) 的融合，可代表制造业的一项重大进步，在设计、生产效率和质量方面实现了针对具体应用的全新优化水平。 弥合技术可行性与经济可行性之间的差距，能够将挑战转化为机遇，使大批量、对成本敏感的行业能够充分发挥现代生产技术的全部潜力。
通过 AM+HIP 方法，制造商可以实现组件的可靠性和可扩展性，将两个世界的优点结合起来，重新定义从航空航天到汽车等不同领域的可能性。
未来的关键在于采用这种综合战略，它不仅是解决现有局限性的方案，也是实现可持续、高效和变革性生产实践的基础。随着采用率的提高和技术的不断进步，AM+HIP 无疑将成为未来工业生产的重要组成部分。
作者 Anders Magnusson 业务开发经理兼 技术顾问 – 昆图斯技术公司