近年来，作为可在短时间内生产复杂形状部件的方法，广泛开展了有关三维（3D）增材制造技术的开发和应用的探讨。其中，三菱重工进行了粉末床方式的3D金属增材制造关键技术开发以及以实证为目的的实机应用技术开发。

1增材制造关键技术开发

1.1粉末管理技术

粉末床方式的3D金属增材制造技术中，使用粉末材料为原料，将来自粉槽的金属粉末铺成均匀的厚度，然后在需要的部位施加激光或电子束等热源，令其熔融、凝固，反复这一过程最终完成3D塑型。

一般情况下，增材制造中使用球状颗粒的气体雾化粉末，要求粉末需具备以下三个特性：1）粉末可进行稳定且均匀的敷设；2）熔融、凝固的塑型产物致密；3）塑型产物具有必要的机械性能。对此，三菱重工评价了粒度分布等因素的影响程度，确定了相关的各管理标准，对因材质导致的不同情况分别设定了管理范围。

此外，在粉末床方式的增材制造中，塑型完成后剩余粉末残留在产品周围，如果能回收这些粉末并进行再利用可提高粉末的利用效率并节约生产成本。但是，由于反复塑型粉末的氧浓度增加，为了确保工件的机械性能，三菱重工设定了每个材质的氧浓度上限，通过再利用降低了粉末成本。

1.2支撑设计技术

3D金属增材制造中，悬空部位或积层中发生热变形部位，不仅需要塑造出部件本体，同时还需要塑造出支撑材料。支撑材料的部位及形状都非常重要，如果是高刚性的形状且与塑型物的连接面积大，尽管具有较好的抑制热应变的效果，但在后续工序中取出支撑材料时需要大量的时间。另外，如果塑型物的内部空间有限，去除支撑材料的工具难以接近支撑材料，则无法在后续处理中去除。因此，需要使用少量且低刚性的支撑材料，在考虑到去除工序可操作性的同时，还能将塑型物形状公差控制在目标范围内。

为此，构建了以产品形状为变量的最优支撑设计系统。在本系统中，首先不是将单纯的总支撑量最小化，而是同时评价了去除支撑时工具是否易于接近，是一种更为实用的系统。通过构建适用于3D金属增材制造特征的支撑最优设计系统，可得出实现支撑量最小化的制造方式。

1.3增材制造条件最优化

由于设备制造商建议的增材制造条件是针对所用材料而言，因此该条件对于应用部件是否为最佳工作条件并不明确。另外，如果采用以往没有实际应用的材料或形状进行增材制造，还有必要由设备制造商探讨增材条件，由于在选定最优工作条件的过程中将耗费较长的时间和大量的费用，因而成为开发的瓶颈。因此，在将3D增材制造用于新材料时，对条件选择流程实施了标准化，以获得适当的条件。

作为标准增材制造条件选择流程，为了避免未熔融层和气孔残留而获得填充率高的增材塑型物，需考虑激光熔融形成的金属熔滴的稳定性、截面形状，阶段性地选择各金属熔滴的重叠条件、增材图案，最终形成增材条件。粉末床方式的激光粉末熔融增材装置中，由于增材的基本参数为激光功率、扫描速度、金属熔滴重叠量（填充间距），因此首先选定用一个金属熔滴获得稳定的激光功率、扫描速度范围，并在该条件范围内通过选定适当的填充间距确定第一层的增材条件范围（STEP1）。其次，在一定的增材厚度和填充间距中改变激光功率、扫描速度及基本单元的图案、重叠量、转动角度，确定工作条件范围，同时，用立方体块评价填充率，锁定填充率高的条件范围（STEP2）。最后，在确保填充率的条件范围内，用各种形状进行增材评价，根据形状及表面粗糙度要求设定条件（STEP3），如图1所示。

基于本标准设定流程，采用大量用于塑型的标准材料（SUS316及Inconel 718合金），确认获得填充率99.9%以上的工作条件范围，应用新材料时对增材条件的优化可在低成本、短时间内完成。

1.4品质监控技术

3D金属增材制造从开始到完成的时间长达数十个小时，而目前却没有在制造进程中发生作业不良的情况下停止作业的判断方法或判断标准，如果完工后品质检查发现不合格，则返工的工作量极大。因此，为了防止返工并确保可追溯性，开发了以粉末敷设状态及激光照射后的表面状态为对象的工作进程内监控技术。

为掌握增材部分的表面状态，采用了条纹投影方法。由于在3D塑型装置中央部位有激光照射用光学系统，因此将投影仪放在3D塑型装置内的一角，并通过用镜面反射改变方向使塑型面产生条纹图案，为了保证测量的稳定，采用两台相机测量的系统，装在装置内部。通过条纹投影方法得到的3D增材制造中的形状测量结果确认了敷设粉末后由于反复涂覆器的橡胶松弛及下压不均导致的印痕及异物，可确认激光照射后粉末敷设不均的位置以及激光照射后的变形。

1.5内面抛光技术

3D金属增材工件的常见问题是表面很粗糙，特别是流体通道等表面粗糙度对产品性能有很大影响，因此要求确立复杂形状内面的抛光技术。

以压缩机盖部件为例，探讨内面抛光手法。由于抛光工具难以达到压缩机盖内面，因此可选择黏弹性磨料流动抛光、离心滚筒抛光、化学抛光等作为抛光方法。本次考虑到抛光效率和防止狭小空间模具损坏，选用了离心滚筒抛光，评价了抛光性能。

离心滚筒抛光的主要问题是如何使抛光介质与复杂形状内面整体高效地接触，因此采用了将抛光介质封闭在工件内面的方式。图2所示为抛光介质封入式的离心滚筒抛光示意图。从抛光介质在工件内面可动性的角度出发，与内面相应的形状、大小、材质、封入量等都非常重要，通过预先要素试验决定这些抛光条件，在此基础上实施了压缩机盖的抛光试验。比较压缩机盖内面抛光前后的表面粗糙度，抛光前的表面粗糙度，整个内面未满足要求值；抛光后从比较大的空间到狭小空间内面整个区域均满足要求值。该结果表明，通过工件的自转、公转，适量封入的抛光介质在工件内部整个区域可动，赋予了抛光力，确认本方法可以作为改善复杂形状内面粗糙度的有效方法之一。

2应用开发案例

燃气轮机联合循环发电技术是发电节能技术的主要发展方向之一。以通过降低燃气轮机高温部件的冷却风量提高燃气轮机性能为目的，探讨了增材制造技术的应用，制作采用现有加工技术无法完成的复杂的冷却通道。

对于涡轮机部件，通过温度监控对层间温度进行控制，并通过变形模拟预测变形，确保必要的质量（细微结构、强度、缺陷尺寸、形状精度）。目前，三菱重工的实证发电设备正在推进这些验证试验，未来计划开发增材制造技术特有的复杂内部结构的环形部位。

另外，对于大尺寸的燃烧器部件，为了缩短塑型时间，提高形状精度，应用了通过多激光扫描的高速塑型和利用塑型时的变形分析的模型设计。通过应用四道激光进行塑型，将传统上由一道激光进行塑型的时间缩短28%，通过应用变形分析，将增材制造设计模型与塑型部件的尺寸误差减少60%。 （孟群）