CN105965013A - 一种用于金属3d打印的多组分实时控制精密送粉系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于金属3D打印的多组分实时控制精密送粉系统，包括送粉机械系统、气路系统、电路系统、装置柜；所述的送粉机械系统包括并联式4个送粉器、混粉器、送粉管、四路分粉器、送粉头、流量监测器；所述的气路系统包括送粉器气路和送粉管气路；所述的电路系统包括送粉机械系统控制电路、气路系统控制电路、真空系统控制电路；所述的装置柜，上部为带密封件的有机玻璃罩，中、下部为普通装置柜，承载气路和电路系统。本发明可实现多组分送粉实时调节；适应多粒径范围送粉；完全能满足金属3D打印的多组分实时控制的精密送粉要求。本发明还可广泛用于以粉末喷射为原理的成型技术中，满足如冷喷涂、热喷射等成型技术的送粉需求。

Description

一种用于金属3D打印的多组分实时控制精密送粉系统
技术领域
本发明属于送粉器技术领域。特别涉及金属3D打印多组分实时控制的精密送粉技术。
背景技术
随着中国经济的发展，作为中国支柱产业的制造业面临着激烈的竞争并经历着一场深刻的技术变革，用高新技术改造提升传统制造业成为必然的趋势。金属3D打印，在金属零件、构件的快速近净制造及大型设备的精密修复技术领域，有着无可比拟的优势。金属3D打印以粉末为材料，在具有零件、构件原型的CAD/CAM软件支持下，CNC(计算机数控)控制能量束（激光束、电子束）、送粉头和机床按指定空间轨迹运动，快速、自动生成与原型零件、构件相近似（通过少量后续的机加工来保证尺寸精度）或相同的金属块体材料。与传统“去除型”制造相比，不需要原胚和模具，直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成指定形状的物体，节省原材料用料只有原来的1/3~1/2，制造速度却快3～4倍；大大简化制造程序，缩短新品研制周期，降低开发成本和风险。金属3D打印在重大工程装备精密修复中，具有修复速度快（数控修复）、效率高（特殊材质、特殊区域）、修复尺寸精确后加工量小（特殊形状）特点。金属3D打印技术成品质量直接依赖于能量束和金属粉末两者能够准确、适时、适量地向指定微区传递，粉末颗粒联接紧密以满足其机械强度。粉末的传送与能量束工作轨迹必须密切配合，即使非常微小的送粉偏差也会导致几何形状、厚度、表面光滑度的重大改变，因此在金属3D打印技术中，送粉的设计就显得尤为重要。随着金属3D打印技术在梯度功能材料研发、超微构件制作中的应用日益增多，对送粉系统提出了多组分实时控制、能适用于多粒径范围（特别是超细粉末）的供给要求。
基于不同原理设计，国内外推出若干的送粉设备，如：基于气体压力差的送粉原理，如雾化式送粉器（Anon.热喷涂技术，1996，(2):47 ）；基于孔盘冲压的送粉原理，如微细粉送粉器（沈文，李言祥，激光熔覆陶瓷送粉器的研制，新技术新工艺，1996）；基于气体动力学的送粉原理，如刮板式送粉器（崔海涛，李强，等.激光快速成型送粉器极其特性，北京工业大学学报，2002,9:341）；基于机械力学的送粉原理，如螺旋式送粉器（Anno. 氧化错的空气等离子喷涂性能和距离对沉积效率及孔隙率的影响，第1届国际热喷涂会议论文集.1992:218）；基于粉末自重的送粉原理，如自重式送粉器（Kurt Leschonshi, Benrd Benker, et al. Dry mechanical dispersion of submicronparticles, Part.Syst.Charact,1995, 12:295.）；基于转动粉轮的送粉原理，如鼓轮式送粉器(Wu C Y, Wantnao S, Dave R N, Mangetically enhanced Power discharged from storage under high consolidation. Powder Handling and poreessing, 1998,10:357)。但这些送粉系统往往是针对某些特定的粉末进行开发设计的，不完全适应金属粉末，且普遍存在对于细粉末输送能力差（对输送小于1um的超细粉末无能为力）、固定粉体组分不能根据要求实时改变输送粉体组分的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于金属3D打印的多组分实时控制精密送粉系统，可适应多粒径范围（特别是超细粉末）供给要求。
本发明是基于转动粉轮的送粉原理，通过以下技术方案实现。
本发明所述的一种用于金属3D打印的多组分实时控制精密送粉系统，包括送粉机械系统、气路系统、电路系统、装置柜。
本发明所述的送粉机械系统包括并联式4个送粉器、混粉器、送粉管、四路分粉器、送粉头、流量监测器。各送粉器送出粉末，进入混粉器，在气流的作用下均匀混合，经送粉管送入四路分粉器，粉流分成四路送入送粉头，送粉头将粉流汇聚后送入加工区域完成送粉。送粉头前配有流量监测器实时监测总送粉量。
所述的送粉器采用载气式鼓轮式送粉结构。粉斗内粉末，在自重和压缩空气作用下，由漏粉口流进粉轮圆周上均匀分布的小槽；随着粉轮转动流入粉轮腔；经压缩气体携带，自粉轮腔下端的出粉口流出。通过调节粉轮转速、漏粉口与粉轮间距、粉斗和粉轮腔压力差、粉轮腔气压大小，可实时控制送粉量；各送粉器都配有流量监测器实时监测送粉量。
进行超细粉末送粉时，需更换送粉器粉斗盖。超细送粉的粉斗盖带有辅热装置和梯度搅拌杆机械打散装置，可有效防止超细粉末在粉斗内的团聚；此外，适当增大粉斗、粉轮腔内压缩气体压力，可进一步防止超细粉末团聚。
本发明所述的气路系统包括送粉器气路和送粉管气路。送粉管气路保证总送粉，与送粉管相连，气流量可以单独实时调节。送粉器气路则保证粉斗内粉体能顺利进入粉轮腔。每个送分器，气体分两路，分别与粉斗和粉轮腔相连，气体流量均可单独实时调节，以保证粉斗和粉轮腔有一定压力差。
本发明所述的电路系统包括送粉机械系统控制电路、气路系统控制电路、真空系统控制电路。送粉机械系统控制电路可实现4个粉轮及搅拌杆平稳转动，及转速的实时调节。粉轮通过密封套、轴承、传动轴、绕性联轴器与交流减速电机连接。电机功率可以由P=NT/9550计算，其中N为粉轮转速，T为转动扭矩。气路系统控制电路可实现各气路的流量实时单独调节。真空系统控制电路可实现装置柜上部真空系统的启动、停止。
本发明所述的装置柜，上部承载送粉器，为带密封件的有机玻璃罩，装粉结束后玻璃罩内可以抽真空或进行惰性气体保护，进一步防止金属粉末（特别是活泼金属）氧化；中、下部则为普通装置柜，承载气路和电路系统。
本发明的多组分实时控制的精密送粉系统，并联的4个送粉器送粉量及总送粉量均实时可控，可实现多组分送粉实时调节；各送粉器通过更换粉斗盖可适应超细粉末供给，可适应多粒径范围送粉；装置柜上部分可抽真空，可进一步防止金属粉末的氧化。完全能满足金属3D打印的多组分实时控制的精密送粉要求。
本发明还可广泛用于以粉末喷射为原理的成型技术中，满足如冷喷涂、热喷射等成型技术的送粉需求。
附图说明
图1为本发明系统结构侧视图。
图2为本发明系统结构俯视图。
图3为本发明载气式鼓轮送粉器示意图。
图4 为本发明普通送粉时粉斗盖示意图。
图5为本发明超细送粉时粉斗盖示意图。
图6为本发明传动结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例进一步说明本发明如何适应多粒径范围，并实现多组分实时控制送粉。
实施例1。
4个并联的送粉器中分别装入100目镍粉、100目铬粉、400目铜粉（超细粉斗盖，搅拌组件搅拌速度为10rmp）、400目钛粉（超细粉斗盖，搅拌组件搅拌速度为10rmp，开启辅热装置），调整粉斗漏粉口与粉轮间距，各送粉器保持一致，拧紧粉斗盖。装粉结束后，装置柜上部抽真空，开启总进气管，压力0.4M。调节各送粉器的粉斗和粉轮腔的进气压力，使得粉轮腔内压为粉斗的80%，且超细送粉器的粉斗压力比普通送粉器压力大25%，即：镍粉送粉器（粉斗0.04MP，粉轮腔为0.032MP）、铬粉送粉器（粉斗0.04MP，粉轮腔为0.032MP）、铜粉送粉器（粉斗0.05MP，粉轮腔为0.04MP）、铬粉送粉器（粉斗0.05MP，粉轮腔为0.04MP），送粉管压力为0.092Mp。粉轮转动速度均为20rpm。此时，送粉头中粉末组成为镍粉、铬粉、铜粉、钛粉的质量比为1:1:1:1，总送粉速率为20g/min。保持初始送粉条件条件不变，仅调节镍粉送粉器粉轮的转动速度为25rpm，总送粉速率仍维持20g/min变化不大，但送粉头中粉末组成变为镍粉、铬粉、铜粉、钛粉的质量比为1.2:1:1:1。
实施例2。
送粉系统初始条件如同实施例1初始条件。调节铜粉送粉器粉轮的转动速度为25rpm，其余条件不变，此时总送粉速率仍维持20g/min变化不大，送粉头中粉末组成变为镍粉、铬粉、铜粉、钛粉的质量比为1:1:1.3:1。
实施例3。
送粉系统初始条件如同实施例1初始条件。减小镍粉送粉器中粉斗漏粉口与粉轮间距，其余条件不变，此时总送粉速率仍维持20g/min变化不大，送粉头中粉末组成变为镍粉、铬粉、铜粉、钛粉的质量比为1.05:1:1:1。
实施例4。送粉系统初始条件如同实施例1初始条件。调节镍粉送粉器粉斗腔0.042MP，粉轮腔为0.03MP，其余条件不变，此时总送粉速率仍维持20g/min变化不大，送粉头中粉末组成变为镍粉、铬粉、铜粉、钛粉的质量比为1.05:1:1:1。
实施例5。
送粉系统初始条件如同实施例1初始条件。调节总进气管压力为0.5M，总送粉管压力为0.192Mp，而其余条件不变（各送粉器中压力情况保持不变），此时总送粉速率增至30g/min，送粉头中粉末组成变为镍粉、铬粉、铜粉、钛粉的质量比为1:1:1:1。
实施例6。
4个并联的送粉器中分别装入50目镍粉、100目铬粉、300目钴粉（超细粉斗盖，搅拌组件搅拌速度为5rmp）、400目钛粉（超细粉斗盖，搅拌组件搅拌速度为10rmp，开启辅热装置），调整粉斗漏粉口与粉轮间距，各送粉器保持一致，拧紧粉斗盖。装粉结束后，装置柜上部抽真空，开启总进气管，压力0.4M。调节各送粉器粉斗和粉轮的进气压力，使得粉轮腔压为粉斗的80%，且超细送粉器的粉斗压力比普通送粉器压力大25%，即：镍粉送粉器（粉斗0.04MP，粉轮腔为0.032MP）、铬粉送粉器（粉斗0.04MP，粉轮腔为0.032MP）、钴粉送粉器（粉斗0.05MP，粉轮腔为0.04MP）、钛粉送粉器（粉斗0.05MP，粉轮腔为0.04MP），总送粉管压力为0.092Mp。粉轮转动速度均为20rpm。此时，送粉头中粉末组成为镍粉、铬粉、钴粉、钛粉的质量比为1.2:1:1:1，总送粉速率为25g/min。保持初始送粉条件条件不变，仅调节镍粉供粉器粉轮的转动速度为25rpm，此时总送粉速率27g/min，送粉头中粉末组成为镍粉、铬粉、钴粉、钛粉的质量比为1.5:1:1:1。

Claims (2)

1.一种用于金属3D打印的多组分实时控制精密送粉系统，其特征是包括送粉机械系统、气路系统、电路系统、装置柜；
所述的送粉机械系统包括并联式4个送粉器、混粉器、送粉管、四路分粉器、送粉头、流量监测器；各送粉器送出粉末，进入混粉器，在气流的作用下均匀混合，经送粉管送入四路分粉器，粉流分成四路送入送粉头，送粉头将粉流汇聚后送入加工区域完成送粉，送粉头前配有流量监测器实时监测总送粉量；所述的送粉器采用载气式鼓轮式送粉结构；
粉斗内粉末，在自重和压缩空气作用下，由漏粉口流进粉轮圆周上均匀分布的小槽；随着粉轮转动流入粉轮腔；经压缩气体携带，自粉轮腔下端的出粉口流出；
所述的气路系统包括送粉器气路和送粉管气路；送粉管气路保证总送粉，与送粉管相连，气流量可以单独实时调节；送粉器气路保证粉斗内粉体能顺利进入粉轮腔；每个送分器中，气体分两路，分别与粉斗和粉轮腔相连，气体流量均可单独实时调节，并使粉斗和粉轮腔有一定压力差；
所述的电路系统包括送粉机械系统控制电路、气路系统控制电路、真空系统控制电路；送粉机械系统控制电路实现4个粉轮及搅拌杆平稳转动，及转速的实时调节；气路系统控制电路实现各气路的流量实时单独调节；真空系统控制电路实现装置柜上部真空系统的启动、停止；
所述的装置柜，上部承载送粉器，为带密封件的有机玻璃罩，装粉结束后玻璃罩内可以抽真空或进行惰性气体保护；中、下部为普通装置柜，承载气路和电路系统。
2.根据权利要求1所述的用于金属3D打印的多组分实时控制精密送粉系统，其特征是当进行超细粉末供粉时，更换送粉器粉斗盖，所述的粉斗盖带有辅热装置和梯度搅拌杆机械打散装置，并适当增大粉斗、粉轮腔气体压力；各送粉器送粉量实时控制可通过调节粉轮转速、粉斗漏粉口与粉轮间距、粉斗和粉轮腔压力差、粉轮腔气压大小实现；各送粉器都配有流量监测器实时监测送粉量。
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