增材制造(AM)技术制备金属部件的研究

最近，3D打印技术成为制造业的研究热点。日本新能源及产业技术综合开发机构(NEDO)开始了下一代原材料激光加工技术以及金属粉末叠层成形技术的研究，探讨了成形时间、成形形状及成形装置等问题。

制造金属制品的AM技术以粉末叠层成形法为主流，该方法采用3D-CAD计算机辅助设计，以粉末为原料，逐层成形，成形装置由用来铺粉的材料供给机构和作为热源的光源(激光或电子束等)机构两大部分组成。这样的成形装置有以下特征:粉末基本上是一粒一粒熔化再固化，制品大多由薄层结构叠层而成，层厚度不可能小于粉末最大粒径，横向精度不可能小于粒径，光源为点状，且受到扫描方式的影响。

若制作一个边长为100 mm的立方体，根据上述技术特征计算出所需熔化时间约为3.3 h。但实际上还要加上熔化以外的时间，结果所需时间约为24 h，甚至是48 h。

成形形状问题主要需考虑热收缩及其引起的残余应力。为了抑制这些现象，可以预先贴附在基板上进行成形，或者分隔为小方格或条纹成形，以降低应力，但是这些方法会使累加应力变大，在制造大型结构件时，反弹、变形等会引起精度下降，必须进行退火等后处理。另外，由收缩引起的反弹问题可以通过支撑结构进行抑制。

开发了小型装置以及实用型装置，配置涡轮分子泵。实际成形时可维持10－3～10－2Pa的真空度。激光装置采用了古河电工开发的QCW(准连续波)纤维激光器。用该装置进行了实际的成形，采用无基板、无支撑的成形方法，成形了高约70 mm的国际象棋子，一个棋子通常需20 h，若把密度降低，则仅需4 h，棋子有内部空心、螺旋等构造。还成形了直径33 mm、密度达99%以上的小型叶轮，耗时8 h，该叶轮有许多复杂曲面，这种形状通常需要五轴加工中心进行加工。还成形了一个由外部的多孔体与内部的致密体组成的圆柱体，加工这种复合结构也是这种成形技术的一个特长。可见粉末叠层成形技术是区别于其他方法的一种特有的成形技术，可摆脱已有加工技术的一些制约。

今后可在轻量化及高性能化的性能设计以及削减装配工程的设计中发挥其作用。