快速成型制造（AM）通过引入设计灵活性、材料效率和性能优化机会，改变了传统的制造方式。然而，实现稳定的质量，尤其是大规模的质量，仍然是一项挑战。为了应对这一挑战，航空航天、核能、医疗等任务关键型应用行业的标准应对措施是在热等静压（HIP）中对部件进行后处理。这样做可以消除任何内部气孔、空隙、微裂纹和缺乏熔合（LoF）缺陷，从而提高机械性能，并为相关应用提供尽可能高的组件可靠性。
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
采用 AM + HIP 组合制造战略（图 1），可以成倍提高当前和现有的 AM 沉积率，为具有成本效益的大批量制造带来巨大机遇。这一策略的技术可行性已在全球知名研究所和大学的多项研究活动中得到证实（见参考文献列表），显示了解决基本 AM 生产率问题的不同机会，同时实现了通常仅限于关键任务应用的质量水平。这为大批量、成本敏感型应用的增材制造提供了机会，可用于轻质部件设计、改善制造成本、缩短交货时间、提高材料利用率和节约能源。
提高 PBF 生产率，以充分吸收 HIP 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。
通过计算不同的大批量印刷方案，可以直观地看出（图 2），AM + HIP 方案的附加效益何时达到 HIP CAPEX 盈亏平衡点（”免费 HIP”）。也就是说，首先采用该战略所需的回报方案。
将打印速度提高 1.25 倍（例如，如 Herzog 等人的研究中所示，使用 PBF-LB 参数窗口），就可以证明该策略在大批量生产的情况下具有经济意义。也就是说，在不增加成本的情况下，生产支持 AM 技术的部件，并获得 HIP 质量的部件。
准备实施的进一步改进措施
除了 AM + HIP 战略可能带来的成本降低之外，现代 HIP 设备还能提供使进一步工艺集成成为可能的功能：
原位热处理：在致密化过程中在 HIP 设备中进行热处理，将部件留在构建板上（如果可行），进行必要的热处理（消除应力）和特定的热处理（提高机械性能），以适应正在加工的特定合金。
清洁 HIP：使用 Quintus Purus® 减少 HIP/热处理过程中的表面氧化，从而无需额外的昂贵、耗时的工艺步骤。特别是对于在标准 HIP 处理过程中容易形成脆性α表面层的钛合金而言，这是一个显著的优点。
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
将 PBF 和 HIP 作为任务关键型工业（如用于大关节的医疗植入物）的运营已经启动和运行，实施快速印刷战略将带来明显而直接的好处。这可以在不增加资本支出的情况下大幅提高产量。不过，要想抓住当前的机遇，还需要考虑和理清一些沉积技术的特定因素，以便针对预期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）与热等静压成型（HIP）的融合代表了制造业的重大进步，将针对特定应用的设计、生产率和质量优化提升到了一个新的水平。缩小技术可行性与经济可行性之间的差距，可以化挑战为机遇，使大批量、对成本敏感的行业充分利用现代生产技术的潜力。
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