增材制造(AM)技術(shù)制備金屬部件的研究

最近，3D打印技術(shù)成為制造業(yè)的研究熱點。日本新能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)開始了下一代原材料激光加工技術(shù)以及金屬粉末疊層成形技術(shù)的研究，探討了成形時間、成形形狀及成形裝置等問題。

制造金屬制品的AM技術(shù)以粉末疊層成形法為主流，該方法采用3D-CAD計算機輔助設(shè)計，以粉末為原料，逐層成形，成形裝置由用來鋪粉的材料供給機構(gòu)和作為熱源的光源(激光或電子束等)機構(gòu)兩大部分組成。這樣的成形裝置有以下特征:粉末基本上是一粒一粒熔化再固化，制品大多由薄層結(jié)構(gòu)疊層而成，層厚度不可能小于粉末最大粒徑，橫向精度不可能小于粒徑，光源為點狀，且受到掃描方式的影響。

若制作一個邊長為100 mm的立方體，根據(jù)上述技術(shù)特征計算出所需熔化時間約為3.3 h。但實際上還要加上熔化以外的時間，結(jié)果所需時間約為24 h，甚至是48 h。

成形形狀問題主要需考慮熱收縮及其引起的殘余應(yīng)力。為了抑制這些現(xiàn)象，可以預(yù)先貼附在基板上進行成形，或者分隔為小方格或條紋成形，以降低應(yīng)力，但是這些方法會使累加應(yīng)力變大，在制造大型結(jié)構(gòu)件時，反彈、變形等會引起精度下降，必須進行退火等后處理。另外，由收縮引起的反彈問題可以通過支撐結(jié)構(gòu)進行抑制。

開發(fā)了小型裝置以及實用型裝置，配置渦輪分子泵。實際成形時可維持10－3～10－2Pa的真空度。激光裝置采用了古河電工開發(fā)的QCW(準連續(xù)波)纖維激光器。用該裝置進行了實際的成形，采用無基板、無支撐的成形方法，成形了高約70 mm的國際象棋子，一個棋子通常需20 h，若把密度降低，則僅需4 h，棋子有內(nèi)部空心、螺旋等構(gòu)造。還成形了直徑33 mm、密度達99%以上的小型葉輪，耗時8 h，該葉輪有許多復(fù)雜曲面，這種形狀通常需要五軸加工中心進行加工。還成形了一個由外部的多孔體與內(nèi)部的致密體組成的圓柱體，加工這種復(fù)合結(jié)構(gòu)也是這種成形技術(shù)的一個特長。可見粉末疊層成形技術(shù)是區(qū)別于其他方法的一種特有的成形技術(shù)，可擺脫已有加工技術(shù)的一些制約。

今后可在輕量化及高性能化的性能設(shè)計以及削減裝配工程的設(shè)計中發(fā)揮其作用。