超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置、方法以及3D列印系統與流程

2023-12-11 12:52:13

本發明涉及金屬3d列印技術領域，尤其涉及一種超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置、工作方法和以其為輔助的3d列印系統。

背景技術：

金屬3d列印(也稱增材製造、快速成形)技術主要有絲/粉熔化沉積法和粉末選區熔化法等。粉末選區熔化法一般是先用制粉裝置製備球形粉末，然後利用3d列印設備進行布粉、選區熔化並逐步成形得到所需形狀和性能的零件。制粉和成形過程一般是在不同裝置中分別完成的，工藝和設備都非常複雜，成本居高不下。

目前製備球形粉末的方法主要有惰性氣體霧化、射頻等離子霧化、旋轉電極霧化等等，設備昂貴、效率低下，粉末容易氧化。

超聲霧化製備金屬粉末，是利用超聲波的空化作用與張力波效應，將金屬熔體破碎成細小液滴，凝固後成為球形粉末，一般包括超聲波氣霧化和超聲波振動霧化等方式。超聲波氣霧化是將超聲波與氣體霧化相結合，如瑞典的kohlswa工藝，利用超聲振動能量和氣流衝擊動能使液流破碎,可提高氣霧化效率，但是氣霧化需要消耗大量的惰性氣體，而且容易形成空心顆粒和衛星顆粒。ruthardt提出的超聲波振動霧化是將金屬熔體流至超聲工具頭表面上鋪展成液膜,被超聲波擊碎、激起成液滴從振動面上飛出凝固成球形粉末。超聲波振動霧化可以在真空環境下製備金屬粉末，避免氣體介質的影響，但受變幅杆和工具頭材料的限制，這種方法對高熔點金屬適應性不好，而且超聲工具頭與金屬熔體相接觸時產生空化腐蝕。

王志剛、吳勝舉等人將待制粉末的金屬棒作為超聲換能器的變幅杆負載,連接在變幅杆的輸出端,並作為氬弧等離子體發生器的陽極,使其按照超聲換能器工作頻率振動,利用等離子體加熱使金屬棒頂端表面熔化，並在超聲波作用下霧化成粉末。由於金屬棒不斷被消耗，頻率發生變化，逐漸失去諧振、霧化的條件，不能實現連續霧化制粉。

中國專利cn201310377275.2公開了一種球形金屬粉末的超聲霧化製備裝置及製備方法，將金屬棒料安裝在變幅杆上，利用等離子弧轟擊棒料使其熔化，然後通過超聲振動使金屬液霧化並凝固成球形粉末。這種裝置仍然存在不能連續生產的問題，而且不能在真空下使用，粉末易受汙染。

3d列印成形使用的熱源有雷射、電子束等高能束，輻照到平鋪的粉末床上使其發生選擇熔化(或燒結)。電子束與雷射相比,具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高且穩定等優點,但是電子束作用在球形粉末上極易出現「吹粉」(粉末潰散)。為解決這個問題，一般採用搭配非球形粉以及預熱粉末等方法。通過底板對粉末進行預熱，隨掃描零件厚度增加，熱阻增大。

綜上所述，現有的金屬3d列印技術存在如下技術問題：

(1)3d列印所需的球形金屬粉末，現有製備方法需要消耗大量惰性氣體，粉末在儲運過程中容易氧化。

(2)常規超聲波振動霧化制粉，不適用於高熔點金屬；以待制粉金屬直接作為變幅杆的負載進行霧化制粉時，因為金屬消耗導致頻率變化，難以連續制粉。

(3)常規3d列印技術是將制粉和列印分開進行，需要不同的裝置，成本太高，粉末儲運過程中容易氧化。另外3d列印對粉末形狀和粒度有苛刻的要求，特別是電子束列印時「吹粉」問題難以解決。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決上述難題，提供了一種超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置、工作方法和以其為輔助的3d列印系統，可以在真空或其它氣氛下連續霧化製備高熔點金屬粉末，將制粉和3d列印集成到一臺設備上，可共用熱源、按需制粉，可控制粉末形狀、粒度以及溫度，增加粉末之間的粘結力，解決「吹粉」問題。

為實現上述目的，本發明的具體方案如下：

一種超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置，包括：超聲波振動系統、超聲波變幅裝置、金屬絲、鎖緊系統、送絲系統以及熱源；

所述超聲波振動系統與超聲波變幅裝置連接，所述超聲波變幅裝置為筒狀或者至少在前端部設置空腔；所述金屬絲通過送絲系統穿過所述空腔；在所述超聲波變幅裝置上設置鎖緊系統；所述熱源設置在所述空腔的出口位置處。

進一步地，所述超聲波變幅裝置為單個變幅杆，所述變幅杆為筒狀或者至少在前端部設置空腔。

進一步地，所述鎖緊系統包括鎖緊器和施力器；所述鎖緊器固定在變幅杆的前端，所述鎖緊器在無外力作用時鎖緊金屬絲的前端；所述施力器固定在變幅杆上，能夠產生壓緊在鎖緊器上使其發生彈性形變的力。

進一步地，所述超聲波變幅裝置為至少兩個變幅杆的組合，所述組合的變幅杆形成中心空腔。

進一步地，所述鎖緊系統包括鎖緊器和施力器；所述鎖緊器固定在變幅杆上，通過鎖緊力將至少兩個變幅杆組合為一個整體；所述施力器固定在變幅杆上，能夠產生壓緊在鎖緊器上使其發生彈性形變的力。

進一步地，在所述施力器上上設置冷卻器，與變幅杆工作端接觸時對變幅杆起到冷卻作用。

進一步地，所述金屬絲前部被鎖緊，金屬絲離開空腔的後部通過彈性變形的方式彎曲設定角度，以保持金屬絲縱向振動的一段長度為固定值。

一種超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置的工作方法，包括以下步驟：

(1)金屬絲被鎖緊器鎖緊，並伸出變幅杆一段長度；

(2)調整熱源的能量大小以及掃描路徑，熱源作用在金屬絲端頭，加熱形成液態金屬膜；

(3)超聲波振動系統產生超聲振動使液態金屬膜霧化噴出成粉；

(4)超聲波停止振動，施力器施加鬆弛力在鎖緊器上，使鎖緊器與金屬絲脫離接觸；

(5)送絲系統將金屬絲向前推送一定長度，以保持伸出變幅杆一段的長度不變；

(6)施力器卸掉鬆弛力，鎖緊器的鎖緊力使金屬絲再次被鎖緊。

進一步地，通過改變超聲波的頻率以及熔化金屬層的厚度改變金屬粉末的形貌、粒度；

所述超聲波的頻率通過改變超聲波振動系統產生的超聲波的頻率以及改變金屬絲負載段的長度進行調整；

所述熔化金屬層的厚度通過改變熱源的能量大小和輻照時間進行調整。

一種3d列印系統，包括：超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置以及工作檯子系統；

通過超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置製備金屬粉末，所述製備的金屬粉末沉積到工作檯子系統；

通過超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置的熱源對沉積到工作檯子系統的金屬粉末進行選區熔化；

通過位置調整機構調整金屬絲與工作檯子系統的距離、熱源的輻照角度和能量參數，改變沉積金屬粉末的溫度、形狀、粒度，防止「吹粉」。

本發明的有益效果：

1)以金屬絲作為變幅杆負載進行超聲振動霧化，可在真空條件下進行，不消耗惰性氣體，避免粉末汙染；可採用連續送絲的方式進行連續制粉。

2)所製備的粉末粒度分布窄，細粉收得率高。還通過調整霧化參數獲得不同形狀、粒度的粉末。

3)這種超聲振動裝置還可以用於焊接、熔煉等類似場合。

4)將制粉和3d列印集成到一起，共用熱源，按需制粉，減少粉末儲運，降低對粉末的要求，簡化設備結構。

5)可通過調整霧化參數獲得不同形狀、粒度和溫度的粉末，可利用粉末餘熱將粉末「固定」，解決「吹粉」問題。

附圖說明

圖1是本發明夾頭鎖緊式超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置結構示意圖；

圖2是本發明組合變幅杆鎖緊式超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置結構示意圖；

圖3是本發明金屬絲結構示意圖；

圖4是本發明金屬絲後部彎曲換向示意圖；

圖5是本發明3d列印系統結構示意圖；

其中，2、換能器，3、變幅杆，4、法蘭，5、鎖緊器，6、施力器，7、金屬絲，8、送絲器。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發明進行詳細說明：

一方面，本發明公開了一種超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置，包括：超聲波振動系統、超聲波變幅裝置、金屬絲7、鎖緊系統、送絲系統以及熱源；

其中，超聲波振動系統包括超聲波發生器、換能器2等，用以產生超聲波並換能；超聲波變幅裝置採用變幅杆3；鎖緊系統包括鎖緊器5和施力器6。

變幅杆3上設置有鎖緊器5，鎖緊器5成為變幅杆3的一部分。施力器6施加外力在鎖緊器5上，可使其內徑發生變化。

金屬絲7前部被鎖緊器5鎖緊、後部彎曲變向，通過這種方式鎖定一段金屬絲7作為變幅杆3的負載，或者成為變幅杆3的一部分。金屬絲7後部彎曲變向的位置優先為節點處。

金屬絲7的直徑為d0，金屬絲7的長度可以是無限長，由供絲系統連續供應，供絲系統可以設置適當的矯直裝置。變幅杆3為筒狀，或者至少在前端部是空心的。鎖緊器5有內徑為d1(d1≤d0)的空腔。

金屬絲7放置在鎖緊器5和變幅杆3的空腔內，鎖緊器5提供鎖緊壓力將金屬絲7鎖緊。鎖緊器5的鎖緊壓力可以是鎖緊器5自身的彈性應力，也可以是電磁力或機械力，例如由設置在其上的磁體(永磁體或電磁體)提供。鎖緊壓力也可以由施力器6提供，例如把金屬絲7鎖緊的力如果是電磁力的時候，該力也可以由設在施力器6上的電磁場提供。

施力器6施加一個與鎖緊壓力方向相反的力在變幅杆3上，可使其脫離與金屬絲7的接觸，也即空腔前端內徑由d1變為d2(d2>d0>d1)。

施力器6的壓緊力和鬆開力由電磁力或彈簧彈力提供，例如由設置在其上的磁體(永磁體或電磁體)提供吸力和斥力。施力器6的支撐部分優先的固定在法蘭4上。

根據金屬絲7鎖緊方式的不同，超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置可以分為夾頭鎖緊式和組合變幅杆3鎖緊式兩種結構形式。

夾頭鎖緊式結構如圖1所示，鎖緊器5為夾頭的形式，固定在變幅杆3的前端。

在一些實施方式中，也可以將變幅杆3本身作為夾頭。

夾頭可以是應力鎖緊式，通過施力器6施加的外力鎖緊，或者也可以利用磁致伸縮或電致伸縮材料產生鎖緊力，也可靠彈簧等機械力產生鎖緊力。

施力器6在外力(如電磁力等)作用下發生位移，壓緊在變幅杆3端部的夾頭上，使其發生彈性變形，內徑變為d2(d1<d2)，鬆開金屬絲7(d1<d0<d2)。

組合變幅杆3鎖緊式結構如圖2所示，變幅杆3以及與其固定的部分是由兩個以上組合的，組合的變幅杆3形成中心空腔，空腔前端的內徑為d1(d1<d0)。變幅杆3上設置有鎖緊器5，靠鎖緊力將變幅杆3組合成為一個整體。

鎖緊器5優先設置在與變幅杆3節點相對應的位置，例如法蘭4所在位置。鎖緊器5的鎖緊壓力可以是電磁力或機械力，例如由設置在其上的磁體(永磁體或電磁體)提供。

金屬絲7置於空腔內，變幅杆3的前端作為夾持頭，夾住並鎖緊金屬絲7。施力器6施加外力在鎖緊器5上，將變幅杆3拉開分離，與金屬絲7脫離接觸。

在一些實施方式中，在變幅杆3前端設置冷卻器，變幅杆3溫度過高時，冷卻器可壓緊在變幅杆3前端，對變幅杆3進行降溫。

在另外一些實施方式中，冷卻器設置在施力器6上，施力器6與變幅杆3工作端接觸時對變幅杆3起到冷卻作用。上述的冷卻器可通過循環冷卻水的方式進行降溫。

送絲系統包含至少一組送絲輪，當金屬絲7被鎖緊器5鬆開時，送絲輪夾持金屬絲7並推送一段距離，當金屬絲7被夾頭鎖緊時，送絲輪鬆開並脫離金屬絲7。

送絲輪可設在空腔外部，也可設在空腔內部。當設在空腔內部時，優先設置在與變幅杆3節點相對應的位置，例如法蘭4所在位置。送絲系統的動力部分可設在空腔外部。

金屬絲7在空腔內(d0<d1)，空腔可以是直通的，如圖1所示，也可以前端直通，後部傾斜，如圖2所示。

金屬絲7前部被鎖緊器5鎖緊，金屬絲7離開空腔的後部通過彈性變形的方式彎曲一定角度，以保持金屬絲7縱向振動的一段長度為一定值，也即變幅杆3的負載是一定的。

特別的，如果制粉的原料是難以彈性變形的金屬，如直徑較大的金屬棒，則可以採用分段連接的方式保持負載段的長度一定。

金屬絲7可以是光杆，也可以加工出類似螺紋狀的凹槽(滾壓、軋制)以增強與鎖緊器5或變幅杆3之間的緊固程度，此時鎖緊器5或變幅杆3內腔與金屬絲7接觸部位也設有與之相匹配的凸起，如圖3所示。

由超聲波振動系統的超聲波發生器、換能器2、變幅杆3產生的超聲波傳遞到金屬絲7頂端，形成縱向振幅。

金屬絲7頂端可被熱源加熱熔化一薄層，再經超聲霧化噴出成粉，沉積為粉末層。

作為一種實施方式，熱源可以是高能束(如電子束、雷射、等離子等)或其它熱源(例如高頻感應線圈)中的一種或幾種的組合。

需要說明的是，本發明中的超聲波振動系統包括的超聲波發生器、換能器2以及其他組件是本領域技術人員所熟知的技術特徵；不必再做過多介紹。

超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置還應包括必要的線路、支架、底座等部件，在此不再贅述。

另外，超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置如果單獨用做製備金屬粉末時，還應包括常規霧化制粉所必需的其它設施，如霧化室、粉末篩分和收集包裝系統、真空系統、氣體調節和控制系統等，在此不再贅述。

另一方面，本發明公開了超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置的工作原理，包括：

1)金屬絲7在鎖緊器5的鎖緊力作用下被鎖緊在變幅杆3上，並伸出一段。

2)調整高能束的能量大小和掃描路徑。高能束輻照在金屬絲7端頭，加熱形成液態金屬膜。

3)超聲振動使液態金屬霧化噴出成粉。

4)超聲波停止振動，施力器6施加鬆弛力在鎖緊器5上，使變幅杆3或鎖緊器5與金屬絲7脫離接觸。

5)送絲器8將金屬絲7向前推送一定長度，以補充霧化損失的部分，保持伸出一段的長度不變。

6)施力器6卸掉鬆弛力，鎖緊器5的鎖緊力使金屬絲7被鎖緊。

7)粉末的形貌、粒度等性能可以通過超聲波的頻率以及熔化金屬層的厚度等進行調整。而超聲波的頻率通過改變超聲波發生器的頻率以及改變金屬絲7負載段的長度進行調整。熔化金屬層的厚度則通過改變高能束的能量大小、輻照時間等進行調整。

第三方面，本發明公開了一種超聲霧化制粉輔助3d列印系統，如圖5所示，包括：超聲霧化制粉子系統p、高能束子系統b、工作檯子系統w、控制系統c以及其它的輔助子系統。

其中，超聲霧化制粉子系統p：包括了前述的超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置，還包括送絲機構、位置調整機構等等。

高能束子系統b：包括高能束(優先的為電子束)的產生及其能量和軌跡以及位置的調控機構。高能束的產生採用超聲振動霧化製備金屬粉末的裝置熱源，產生的高能束b1用於熔化金屬絲7、b2用於熔化金屬粉末。

工作檯w：包括工作檯位置調控(三維平移、旋轉、傾斜)機構、粉末容器w1、粉末平鋪、輔助加熱和冷卻等機構。

其它輔助子系統：包括監測機構m、氣氛調節和控制機構a、粉末收集、隔離、輸運機構以及擋板等。

中央控制子系統c：設定參數，與監測的數據進行比對、計算並向各子系統發出指令。

超聲霧化制粉輔助3d列印系統的工作原理如下：

(1)霧化制粉的原料為金屬絲7(或棒，下面統稱為絲)，其成分與3d列印零件的成分接近，其組成元素中在重熔過程容易燒損的應適當增補一定的量。

(2)需要時，超聲霧化制粉子系統p中的金屬絲7前端被高能b1輻照，加熱熔化形成液膜並通過超聲霧化成為金屬粉末，然後沉積到工作檯子系統w的粉末容器w1內，形成一定厚度的粉末層。可以設置適當的擋板，防止粉末沉積到容器外部，沉積後將擋板移出。可通過旋轉、平移、傾斜等方式調整超聲霧化制粉子系統p及工作檯子系統w的角度、距離等參數，使粉末層厚度均勻。可通過調整金屬絲7與粉末容器w1的距離、高能束b1輻照角度和能量等參數，改變沉積粉末的溫度、形狀、粒度，特別是用來增加粉末間的粘結力，防止「吹粉」。

(3)金屬絲7向前端進給一段距離以補充霧化成粉而損失的那部分，保持負載不變或變幅杆3的頻率不變。需要改變粉末粒度、形狀時，可調整金屬絲7進給的距離以改變頻率，同時調整超聲波發生器頻率以適應之。

(4)控制高能束b2以一定能量、角度和軌跡輻照粉末床特定位置，進行選區熔化，按設定的策略掃描後逐步成形。

(5)布粉裝置將儲粉器內的粉末平鋪在粉末床上，形成新的粉末層。

(6)重複步驟(2)-(5)，最終得到金屬零件，剩餘粉末收集到儲粉器。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。