当增材制造遇上增量成形，并非简单叠加，而是一场由单一动力源驱动的“协同进化”。印度研究人员开发的混合增材制造增量成形(HAMIF)技术，在一台设备内完成金属3D打印与逐层压印，使抗拉力从670N跃升至805N，同时消除微裂纹与气孔，为金属增材制造的质量困境提供了全新解法。

一、金属增材制造的“质量困境”

金属增材制造(AM)能够实现传统减法制造难以企及的复杂几何结构，在航空航天、医疗植入物、模具制造等领域展现出巨大潜力。然而，这项技术始终面临几个“先天缺陷”：层间结合薄弱、内部孔隙率高、表面粗糙度大、材料收缩难以控制。

这些问题导致增材制造的金属零件往往需要大量后处理——机加工、抛光、热处理——才能满足工程应用的要求。这不仅增加了制造成本和时间，也削弱了增材制造“近净成形”的核心优势。

如何在不脱离打印平台的前提下，同步改善零件的力学性能与表面质量?印度PDPM Indian Institute of Information Technology, Design and Manufacturing, Jabalpur的研究团队给出了一个巧妙的答案：将增量成形(Incremental Forming)集成进增材制造流程，由同一套动力系统驱动，实现“边打印边强化”。

二、科创亮点：单动力源驱动的混合装备架构

2025年2月1日，Mithilesh Kumar Tiwari、Shekhar Srivastava、K Ponappa、Puneet Tandon四位学者在《Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications》发表论文，首次系统阐述了这套混合增材制造增量成形(Hybrid Additive Manufacturing Incremental Forming, HAMIF)技术的装备架构与控制原理。

亮点一：一体化装备设计——“打印即强化”

研究团队设计的HAMIF装备包含几个核心模块：

混合挤出成形单元：这是整套装备的心脏，集成了材料挤出与压印成形双重功能

料斗-料筒组件：实现金属材料的连续供给

带式加热器：精确控制挤出温度

电磁阀组：控制料筒组件的升降运动，实现增材与成形工序的同步切换

完整的控制架构：确保两套工艺在时序与空间上精确协同

关键创新在于：增材制造与增量成形由同一动力源驱动，无需在两台设备间转移工件，从根本上避免了二次装夹带来的定位误差与效率损失。

亮点二：机理突破——从“层层堆积”到“层层致密”

研究团队通过扫描电子显微镜(SEM)对HAMIF工艺与纯增材制造的试样进行了对比分析，揭示了性能提升的内在机理：

消除微裂纹与气孔：增量成形过程中的机械压印作用，使层间界面受到二次压实，原本存在的微小孔隙被挤压闭合

改善层间结合：压印过程促进了相邻层之间的材料扩散，形成更牢固的冶金结合

定向晶粒形成：在光学显微镜下观察到，HAMIF试样呈现出更有利于力学性能的单向晶粒取向

亮点三：性能数据——抗拉力提升20%

力学性能测试给出了最直接的证明：

这一数据说明，增量成形的后致密化作用并非简单叠加，而是产生了“1+1>2”的协同效应。

亮点四：表面质量跃升

在同一团队此前发表的ASME会议论文中，他们使用锡合金在HAMIF装备上进行了表面质量对比测试。结果显示：

纯增材制造：平均表面粗糙度 0.3514 μm

HAMIF工艺：平均表面粗糙度 0.0555 μm

这意味着表面粗糙度降低了84%，达到镜面级光洁度。

三、技术内涵：如何实现“单动力源、双工序”的协同

HAMIF装备的核心技术挑战在于：如何在单一动力源驱动下，实现挤出成形(连续)与压印成形(断续)两种运动模式的平稳切换?

论文详细阐述了控制架构的设计思路：

变螺距螺杆设计：挤出单元采用变螺距螺杆，在保证材料稳定输送的同时，为末端的成形压头预留空间

可拆卸成形压头：喷嘴末端可快速切换为成形压头，实现“打印一层、压印一层”的交替作业

电磁阀控制系统：通过电磁阀精确控制料筒组件的升降行程，确保压印深度均匀可控

研究团队特别强调，他们在设计过程中重点解决了料斗过热、送料区温度失控等工程难题，确保材料在挤出与压印两个阶段都能保持理想的流变状态。

四、应用前景：从“近净成形”到“净形强化”

HAMIF技术的价值在于：它将“后处理”变成了“同步处理”，让零件在离开打印平台之前就完成了力学性能与表面质量的全面升级。

1. 航空航天承力件

钛合金、高温合金等航空材料对内部缺陷极度敏感。HAMIF工艺的层间压实作用可显著降低孔隙率，提升疲劳寿命，适用于涡轮叶片、燃烧室部件等关键构件。

2. 复杂模具制造

注塑模具、压铸模具需要兼备复杂内流道与高表面光洁度。传统工艺需分别加工后组装，HAMIF可实现随形冷却通道+镜面型腔的一体化成形。

3. 医疗植入物

骨科植入物对表面质量与力学性能要求极高。HAMIF工艺可同步实现多孔骨长入结构+致密承重表面，且无需二次抛光，避免表面污染。

4. 修复再制造

对于受损金属零件的增材修复，修复层与基体的结合强度是关键。HAMIF的压印工序可显著改善修复界面的结合质量，提升再制造零件的服役寿命。

五、产业意义：重新定义金属增材制造的能力边界

这项研究的深层价值在于重构了金属增材制造的技术范式。传统增材制造的逻辑是“堆积成形”，缺陷是“天生的”;HAMIF的逻辑是“堆积+压实”，缺陷是“可治愈的”。

正如论文结论所言：“HAMIF技术通过单一动力源实现增材与成形的协同，有效解决了金属增材制造的孔隙率与材料收缩问题，同时提升了力学性能与表面质量。这为混合制造在高端装备领域的规模化应用开辟了新路径。”

当增材制造开始拥有“自我完善”的能力，金属零件的设计自由度与服役可靠性将同时站上新的台阶。

来源：PDPM Indian Institute of Information Technology, Design and Manufacturing, Jabalpur(印度)；作者：Mithilesh Kumar Tiwari, Shekhar Srivastava, K Ponappa, Puneet Tandon；题目：Fabrication and control architecture of novel hybrid metal additive manufacturing incremental forming technology；发表于：Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications（2025年2月1日）