CN106891004B - 一种3d打印头用固体粉末连续输送装置 - Google Patents
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Abstract
一种3D打印头用固体粉末连续输送装置，属于3D打印技术领域和粉末送料领域。装置由调速电机、粉料拨叉、粉末储料室、空心螺旋弹簧、软管、辅助气进口和粉末进口构成。粉末储料室采用下方为漏斗型的结构，储料室中安装有粉料拨叉，侧壁上部设有辅助气进口和粉末进口。空心螺旋弹簧上部设计为有足够长度的长轴，使其与粉料拨叉相接并穿过粉末储料室上盖与外部调速电机联接。本装置可持续稳定输送流动性极差的不规则微细粉末；并可实现任何弯曲管道内的送料且不受输送距离限制，能够随着3D打印头的移动变换任意形状；可控制粉末的输送与停止，精密匹配3D打印过程。
Description
技术领域
本发明涉及粉末输送装置，属于3D打印技术领域和粉末送料领域，特别是提供一种3D打印头用固体粉末连续输送装置。
背景技术
3D打印技术是根据零件或物体的三维模型数据，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光或紫外线或热熔喷嘴等方式将光敏树脂、塑料、金属粉末、陶瓷粉末以及细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出三维实体。21世纪随着激光烧结，特别是直接金属激光烧结(Direct metal laser sintering，DMLS)技术的发展，金属材料成为3D打印材料应用上的另一个重要突破。DMLS技术是通过使用高能量的激光束根据3D模型数据来局部熔化金属基体，同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠，以生成致密的几何形状实体零件。直接金属激光烧结DMLS技术逐渐发展为激光熔覆、激光喷涂、激光粉末成型和直接金属沉积等技术，通过选择不同的烧结材料和调节工艺参数，可以生成性能差异变化很大的零件，并能够直接制造出几何形状任意复杂的零部件，应用领域十分广泛。在制造分层厚度1mm以上的大型金属件，DMLS技术通常采用同轴输送金属粉末，即激光烧结与粉末的输送同时进行。金属粉末的形貌和粒度对其流动性有显著的影响，一般粒度较大、形状规则的粉末有较好的流动性，有助于粉末的输送；而粒度较小、不规则的粉末，由于团聚比较严重，因此粉末的输送比较困难。如何稳定持续输送金属粉末，是DMLS技术待解决的一个关键难点。
送粉器是储存粉末和定量输送粉末的一种装置，送粉器可以大致分为以下几类：自重式送粉器、螺旋式送粉器、刮板式送粉器、雾化式送粉器、毛细管式送粉器等。自重式送粉器的原理为：粉末料仓中的粉末依靠自身的重量穿过漏粉孔进入气流管道中，在气流管中载气的带动下输送至送粉枪中，其送粉速率主要利用漏粉孔的尺寸大小和载气流量的大小控制。螺旋式送粉器的基本机构包括：粉末料仓、螺旋杆、振动器、混合器等组成，其工作原理为：料仓中的粉末通过旋转的螺旋杆螺纹向前推进，粉末输送到混合器中依靠载气将粉末送入送粉枪中；在粉末料仓底部的振动器防止粉末在料仓中架空，导致粉末输送不均匀；其送粉速率主要利用螺旋杆的转速控制。刮板式送粉器是依靠分盘的转动来实现粉末的输送，当料仓中的粉末经过漏粉孔落入分盘时，分盘带动粉末转至刮板处，通过刮板将粉末送入料斗中。依靠控制粉盘的转速，可以很方便的控制粉末的输送速率，因此刮板式送粉器被广泛应用于粉末的输送。雾化式送粉器的工作原理为：通过喷嘴中喷出的高压气体使局部产生负压，粉末在负压作用下随载气进入出粉管道，伸入料仓内的平衡管可以防止粉末架空，有利于粉末的稳定输送，其送粉速率主要是靠喷嘴出气体的流量来控制。
目前还没有专门针对DMLS技术的送粉装置。现有的送粉器中，依靠气流载体送粉的装置，如自重式送粉器、螺旋式送粉器和雾化式送粉器，气流将粉末输送至激光烧结熔池，易使熔池温度迅速降低，并且粉末被气流带动得太过松散，激光烧结时体积收缩巨大，严重影响DMLS技术烧结过程及烧结产品性能。而刮板式送粉器是通过刮板一波波地将金属粉末送入，流量不稳定，降低DMLS技术产品的精度。现有的送粉器过于依赖粉末的流动性，强调使用粒度范围分布窄的球形粉末；对于粒度较小、形状不规则的粉末，上述送粉器易堵塞、流量不稳定。
在前期有关DMLS技术粉末输送的大量研究基础上，我们设计了一款固体粉末连续输送装置，在设备功能和结构设计和实际装备试验后，验证了本送粉装置对于流动性较差的微细粉末，能够实现粉末稳定、连续、均匀的输送，完成了本发明的设备研究。
检索近30年文献，尚未检索到针对3D打印技术的依靠空心螺旋弹簧稳定输送粉末的送粉装置专利及其相关报导。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于3D打印技术连续送粉装置，针对DMLS技术稳定持续送粉的需求以及粒度较小、形状不规则的粉末输送难题，设计研发一种空心螺旋送粉装置。
一种3D打印头用固体粉末连续输送装置，本发明针对3D打印过程中粉末输送的需求设计，输送装置由调速电机、粉料拨叉、粉末储料室、空心螺旋弹簧、软管、辅助气体进口和粉末进口构成。
粉末储料室采用下方为漏斗型的结构，粉末储料室中安装有粉料拨叉，粉末储料室侧壁上部设有辅助气体进口和粉末进口；辅助气体进口可输入加压气体，对于流动性极差的不规则微细粉末，加压气体通过空心螺旋弹簧的心部，在空心螺旋弹簧旋转推力和加压气体载体作用下，通过机械和气流共同推进的混合送粉方式实现混合送粉。粉末进口可不断向粉末储存室补充粉末。
所述的空心螺旋弹簧上部设计为有足够长度的长轴，使其与粉料拨叉相接并穿过粉末储料室上盖与外部调速电机联接，通过调速电机带动粉料拨叉和空心螺旋弹簧旋转，粉料拨叉可不断的将粉末打散，促使粉末流入软管内，并防止空心螺旋弹簧旋转时在内部产生架空现象。
所述的空心螺旋弹簧采用柔软材质制成，可以在任何弯曲的管道内自由旋转，空心螺旋弹簧置于软管内，可与软管任意弯曲，当调速电机带动空心螺旋弹簧旋转时，空心螺旋心部可通过辅助气体，实现任何弯曲管道内的送料且不受输送距离限制，可随着3D打印头的移动变换任意形状。对于流动性差的不规则微细粉末也可以实现稳定连续的送料。
所述的辅助气体进口能输入加压气体，加压气体通过空心螺旋弹簧的心部，在空心螺旋弹簧旋转推力和加压气体载体作用下，实现机械和气流共同推进的混合送粉方式。
所述一种用于3D打印输送原材料粉末的空心螺旋送粉器，其工作原理是，通过可调速步进电机来控制空心螺旋弹簧的转速，当空心螺旋弹簧在软管内旋转时，由于弹簧的正螺旋推进作用，可以将软管内的粉末向前推进，从而达到粉末连续稳定的输送。其送粉速率可按照以下公式进行计算：
式中dW——送料速率，g/min；
K——粉末阻力系数；
D——软管内径，cm；
h——弹簧螺距，cm；
d——粉末密度，g/cm3；
v——弹簧转速，r/min。
所述的调速电机转速和正反转可调，通过调整调速电机转速可控制空心螺旋送粉器送粉速率；3D打印过程中，调速电机正转时可持续稳定输送粉末，而在打印间隙，调速电机反转时则将粉末限制在软管内，防止粉末由于自身重量任意散落。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供了一种3D打印头用固体粉末连续输送装置，依靠空心螺旋弹簧正螺旋推进作用将软管内的粉末稳定向前推进，不受粉末颗粒形貌和粒度的限制，从流动性差的不规则微细粉末到流动性好的球形粉末均可实现连续稳定的输送。
(2)本装置采用的空心螺旋弹簧与软管均非常柔软，因此可以在任何弯曲的管道内自由旋转，并跟随3D打印头在打印空间内移动，实现任何弯曲管道内的送粉。
(3)本装置可通过调整调速电机转速来控制送粉速率，并可通过控制调速电机正转反转实现粉末的输送和停止，与3D打印过程精密匹配。
附图说明
图1为本发明具体实施例中3D打印头用固体粉末连续输送装置的结构示意图，包括：1-调速电机；2-粉料拨叉；3-粉末储存室；4-空心螺旋弹簧；5-软管；6-辅助气进口；7-粉末进口。
具体实施方式
实施实例1：采用3D打印头用固体粉末连续输送装置输送-250目电解Cu粉
(1)送粉装置参数
送粉装置的粉末储存室容量2L，软管内径D为0.511cm，螺旋弹簧螺距h为0.338cm。
(2)Cu粉性能
电解Cu粉的平均粒径为3.25μm，松装密度为2.66g/cm3，Cu粉形貌为树枝状，流动性极差。
(3)Cu粉在不同弹簧转速(电机转速)时一定时间内的送粉量，如下表所示。(测量七次结果取算数平均值)
不同弹簧转速下Cu粉的送粉速率
流动性极差的Cu粉可通过空心螺旋送粉装置持续稳定地输送；
通过横向对比可知，Cu粉在相同弹簧转速下单位时间内的送粉量几乎保持不变，可以保持单位时间内的稳定送粉；
而纵向对比弹簧转速的影响，随着弹簧转速的增大，Cu粉末的送粉速率呈线性增长，证明可通过调整空心螺旋弹簧(调速电机)转速来控制空心螺旋送粉器送粉速率。
实施实例2：采用3D打印头用固体粉末连续输送装置输送还原W粉
(1)送粉装置参数
送粉装置的粉末储存室容量3L，软管内径D改为0.382cm，螺旋弹簧螺距h改为0.203cm。
(2)W粉末性能
采用H2还原的W粉颗粒极细，平均粒径为1.85μm，松装密度为4.2g/cm3，不规则形状。
(3)W粉在不同弹簧转速(电机转速)时一定时间内的送粉量，如下表所示。(测量七次结果取算数平均值)
不同弹簧转速下W粉的送粉速率
同样地，极细的W粉可采用送粉装置持续稳定地输送；
通过横向对比可知，W粉在相同弹簧转速下单位时间内的送粉量几乎保持不变，可以保持单位时间内的稳定送粉；
而纵向对比弹簧转速的影响，随着弹簧转速的增大，W粉末的送粉速率呈线性增长，证明可通过调整空心螺旋弹簧(调速电机)转速来控制空心螺旋送粉器送粉速率。
实施实例3：采用3D打印头用固体粉末连续输送装置输送球形Al2O3粉
(1)送粉装置参数
空心螺旋送粉装置的粉末储存室容量2L，软管内径D改为0.152cm，螺旋弹簧螺距h改为0.089cm。
(2)Al2O3粉性能
氧化铝粉的平均粒径为3.25μm，松装密度为1.32g/cm3，为流动性良好的球形粉末
(3)Al2O3粉在不同弹簧转速(电机转速)时一定时间内的送粉量，如下表所示。(测量七次结果取算数平均值)
不同弹簧转速下Al2O3粉的送粉速率
对于流动性良好的Al2O3粉，当软管内径和弹簧螺距减小时，单位时间内输送粉末的重量仍然稳定；随着空心螺旋弹簧转速增大，Al2O3粉送粉速率呈线性增长，可通过调整空心螺旋弹簧(调速电机)转速来控制空心螺旋送粉器送粉速率。
Claims (2)
1.一种3D打印头用固体粉末连续输送装置，其特征在于：所述一种3D打印头用固体粉末连续输送装置是针对3D打印过程中粉末输送的需求设计，由调速电机、粉料拨叉、粉末储料室、空心螺旋弹簧、软管、辅助气进口和粉末进口构成；
粉末储料室采用下方为漏斗型的结构，粉末储料室中安装有粉料拨叉，粉末的储料室侧壁上部设有辅助气进口和粉末进口，辅助气进口高于粉末进口；所述的空心螺旋弹簧上部设计为有足够长度的长轴，使其与粉料拨叉相接并穿过粉末储料室上盖与外部调速电机联接，通过调速电机带动粉料拨叉和空心螺旋弹簧旋转，粉料拨叉可不断的将粉末打散，促使粉末流入软管内，并防止空心螺旋弹簧旋转时在内部产生架空现象；
所述的空心螺旋弹簧采用柔软材质制成，能在任何弯曲的管道内自由旋转，空心螺旋弹簧置于软管内，可与软管任意弯曲，当调速电机带动空心螺旋弹簧旋转时，空心螺旋心部能通过辅助气体，将软管内的粉末向前推进；实现任何弯曲管道内的送料且不受输送距离限制，可随着3D打印头的移动变换任意形状；
所述的辅助气体进口能输入加压气体，加压气体通过空心螺旋弹簧的心部，在空心螺旋弹簧旋转推力和加压气体载体作用下，实现机械和气流共同推进的混合送粉方式；
所述的调速电机转速和正反转可调，通过调整调速电机转速能控制空心螺旋送粉器送粉速率；3D打印过程中调速电机正转时可持续稳定输送粉末，而在打印间隙调速电机反转时则将粉末限制在软管内，防止粉末由于自身重量任意散落。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印头用固体粉末连续输送装置，其特征在于：所述送粉速率按照以下公式进行计算：
式中dW——送料速率，g/min；
K——粉末阻力系数；
D——软管内径，cm；
h——弹簧螺距，cm；
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v——弹簧转速，r/min。
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