CN110961640A - 一种制备3d打印用金属粉末的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种制备3D打印用金属粉末的装置及方法，包括熔炼坩埚、抽真空装置以及可升降且可高速旋转的制粉装置；熔炼坩埚内底部设有顶起装置；制粉装置设置在熔炼坩埚的上方，包括中空圆柱状壳体以及设置于壳体顶端的端盖；壳体的上部沿其周向等间距分布有多个形状、尺寸相同的流出孔；抽真空装置用于对壳体的内腔抽真空。本申请的有益效果：解决了现有技术存在的结构设计笨重、制得的金属粉末的尺寸不一，稳定性不高的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种制备3D打印用金属粉末的装置及方法。
背景技术
金属粉末是材料产业的重要分支，利用金属粉末制备出工件是材料产业的重要分支，随着3D打印技术的迅猛发展，金属粉末在汽车、航天航空、电子信息、能源、医疗等领域的应用越来越广泛。旋转离心法制粉是近些年发展起来的一种新的雾化技术，利用该方法可以可以克服高压气体雾化法的缺陷，制备出形貌尚佳的高品质金属粉末。但现有的旋转离心制粉方法受限于平稳性要求，结构设计笨重，垂直滴落的金属熔液在不同的半径位置接触旋转平台，获得不同初始的线速率以及不同的脱离速率，所制得的金属粉末的尺寸不一，稳定性不高。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种制备3D打印用金属粉末的装置及方法。具体技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种制备3D打印用金属粉末的装置，包括熔炼坩埚、抽真空装置以及可升降且可高速旋转的制粉装置；所述熔炼坩埚内底部设有顶起装置；所述制粉装置设置在所述熔炼坩埚的上方，包括中空圆柱状壳体以及设置于所述壳体顶端的端盖；所述壳体的上部沿其周向等间距分布有多个形状、尺寸相同的流出孔；所述抽真空装置用于对所述壳体的内腔抽真空。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述流出孔的形状为圆柱和圆台中的任意一种或两种的组合。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述流出孔由两个对称设置的圆台和一个位于中间的圆柱组合而成，圆台的小端面与圆柱相连接，且圆柱的直径与圆台小端面的直径相等。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述顶起装置包括可升降的顶板；所述顶板包括位于顶部的隔热层以及位于底部的密封层；所述顶板的下方设有驱动装置。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述驱动装置为伸缩油缸；所述伸缩油缸的缸体设置在所述熔炼坩埚的外部，所述伸缩油缸的活塞杆穿过所述熔炼坩埚的底部并与所述顶板的下表面相连接。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述抽真空装置为真空泵。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述制粉装置上设有加热部件和保温部件。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述加热部件为感应线圈和/或电阻。
第二方面，本申请还提供一种制备3D打印用金属粉末的方法，所述方法采用上述所述的制备3D打印用金属粉末的装置，包括以下步骤：
将待融化的金属放入熔炼坩埚熔炼制备熔体；
对制粉装置加热升温；
待金属熔炼均匀后，将制粉装置下降至完全浸入熔体中，使得流出孔内充入熔体，然后将制粉装置上升至流出孔从熔体的液面露出并且制粉装置的下边缘仍浸在熔体内；
对制粉装置的内腔抽气使其形成负压，熔体从制粉装置的底部被吸入并充满制粉装置的内腔；
驱动制粉装置高速旋转，熔体经形状、尺寸相同的流出孔被高速甩成金属液滴；
金属液滴在飞行过程中，在表面张力的作用下收缩凝固，形成金属粉末；
在制粉过程中，顶起装置不断将熔炼坩埚内的熔体顶升，以确保熔体不断充入制粉装置中，直至熔炼坩埚内的熔体完全消耗。
本申请实施例有益效果：通过将高温状态的制粉装置先完全浸入熔体中再将其上升，由于存在内外温差使得流出孔内充满半凝固状态的熔体，抽真空装置对制粉装置的内腔抽气使其形成负压，从而熔体从制粉装置的底部被吸入并充满制粉装置的内腔，驱动制粉装置高速旋转使得熔体从流出孔被甩出形成金属液滴，金属液滴在飞行过程中在表面张力的作用下收缩凝固成金属粉末。该制粉装置结构设计简单、轻巧，可以获得较高的转速，从而可以在所需粒度范围内获得较高的细粉收得率；通过设置形状、尺寸相同的流出孔，使得所制得的金属粉末的形状、尺寸相同，具有较高的稳定性；通过设置顶起装置，能够使熔体不断充入制粉装置中直至熔炼坩埚内的熔体完全消耗，从而保证了制粉过程的连续进行。
当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例1所提供的制备3D打印用金属粉末的装置的结构示意图；
图2为本申请实施例1所提供的制备3D打印用金属粉末的装置制粉状态的结构示意图；
图3为图1中局部A放大的结构示意图。
图中所述文字标注表示为：
1、熔炼坩埚；2、制粉装置；3、制粉腔室；4、流出孔；5、顶板；6、伸缩油缸；8、真空泵；9、加热部件；10、保温部件。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1和图2所示，本申请实施例1提供了一种制备3D打印用金属粉末的装置，包括制粉腔室3，该制粉腔室3内设有熔炼坩埚1以及制粉装置2，制粉腔室3的外部设有抽真空装置，在本实施例中，抽真空装置为真空泵8；金属原料在熔炼坩埚1内被加热熔化成熔融的液态金属，即熔体，熔炼坩埚1的底部设有顶起装置，用于将内部的熔体顶升，以确保在制粉过程中熔炼坩埚1内熔体的液面始终维持在顶部边缘位置；制粉装置2设置在熔炼坩埚1的上方，包括中空圆柱状壳体以及设置于壳体顶端的端盖，端盖上开设有通孔(未示出)，使得壳体的内腔与制粉腔室3相连通，即壳体的内腔与制粉腔室3内的大气压保持一致，从而可通过真空泵对制粉腔室3抽真空进而达到对壳体的内腔抽真空的目的；壳体的上部沿其周向等间距分布有多个形状、尺寸相同的流出孔4，使得经其飞出的金属液滴的形状、尺寸相同，从而制得的金属粉末的形状、尺寸一致，进而保证了制得的金属粉末具有较高的稳定性；制粉装置2为可高速旋转的，其可以通过具有较高转速的驱动装置来驱动使其高速旋转，在本实施例中，采用电主轴(未示出)来驱动制粉装置2高速旋转，从而使得所制得的金属粉末具有较高的细粉收得率，电主轴设置在制粉装置2的上方并与制粉装置2相连，其转速可以在0～100000rpm(转/分)范围内进行调节；制粉装置2为可升降的，在制粉之前先下降至完全浸入熔体中，使得流出孔4内充入熔体，再升起一定高度使得流出孔4从熔体的液面露出并且制粉装置2的下边缘仍浸在熔体内。制粉装置2的升降可通过升降装置(未示出)来驱动，比如伸缩气缸，通过将伸缩气缸的活塞杆与电主轴的外壳相连接带动电主轴升降，从而带动与之相连的制粉装置2升降。
请参考图3，优选的，流出孔4的形状可以为圆柱和圆台中的任意一种，也可以为圆柱和圆台的组合，在本实施例中，流出孔4由两个对称设置的圆台和一个位于中间的圆柱组合而成，圆台的小端面与圆柱相连接，且圆柱的直径与圆台小端面的直径相等，该形状的流出孔4既便于生产制造，又有利于熔体进入流出孔4并且从流出孔4被高速甩出，防止发生阻塞。
优选的，顶起装置包括设置在熔炼坩埚1内底部熔体下方的顶板5，该顶板5包括位于顶部的隔热层以及位于底部的密封层，隔热层由耐高温隔热材料制成，用于对顶板5上方的熔体进行隔热保温，密封层由密封材料制成，用于将熔体密封在顶板5的上方，顶板5的下方设有用于驱动顶板5升降的驱动装置，该驱动装置可以为任意能够驱动顶板5升降的装置，在本实施例中，所采用的驱动装置为伸缩油缸6，伸缩油缸6的缸体设置在熔炼坩埚1的底部外部，伸缩油缸6的活塞杆穿过熔炼坩埚1的底部并与顶板5的下表面固定连接。在制粉过程中，伸缩油缸6的活塞杆带动顶板5将熔炼坩埚1内的熔体顶升，以确保在制粉过程中熔炼坩埚1内熔体的液面始终维持在顶部边缘位置。
优选的，制粉装置2上设有加热部件9和保温部件10。
优选的，加热部件9为感应线圈和/或电阻，在本实施例中，加热部件9为热感应线圈，环绕设置在壳体位于流出孔4下方的部分的外部，保温部件10为设置在加热部件9外部的保温层。
本申请实施例1提供的制备3D打印用金属粉末的装置的工作过程如下：在熔炼坩埚1内放入待融化的金属原料制备熔体，同时对制粉装置2进行加热，当熔体5熔炼均匀并且制粉装置2已加热完成时，控制制粉装置2下降至完全浸入熔体中，使得流出孔4内充入熔体，然后控制制粉装置2升起一定高度使得流出孔4从熔体的液面露出并且制粉装置2的下边缘仍浸在熔体内，由于存在内外温差使得流出孔4内充满半凝固状态的熔体，此时，制粉装置2的内腔内形成了封闭的空间，通过真空泵对制粉装置2的内腔抽气使其形成负压，从而熔体从制粉装置2的底部被吸入并充满制粉装置2的内腔，通过控制电主轴驱动制粉装置2高速旋转使得熔体从流出孔4被甩出形成金属液滴，金属液滴在飞行过程中在表面张力的作用下收缩凝固成金属粉末。该装置通过采用电主轴驱动制粉装置2高速旋转可以获得较高的细粉收得率；通过设置形状、尺寸相同的流出孔4，使得所制得的金属粉末的形状、尺寸相同，具有较高的稳定性；通过设置顶起装置，能够使熔体不断充入制粉装置2中直至熔炼坩埚1内的熔体完全消耗，从而保证了制粉过程的连续进行。
本申请实施例1提供的制备3D打印用金属粉末的装置，解决了现有技术存在的结构设计笨重、制得的金属粉末的尺寸不一，稳定性不高的技术问题。
实施例2
本申请实施例2提供了一种制备3D打印用金属粉末的方法，该方法采用如图1中所示的制备3D打印用金属粉末的装置来制备3D打印用金属粉末，具体包括以下步骤：
将待融化的金属放入熔炼坩埚1熔炼制备熔体；
对制粉装置2加热升温；
待金属熔炼均匀后，将制粉装置2下降至完全浸入熔体中，使得流出孔4内充入熔体，然后将制粉装置2上升至流出孔4从熔体的液面露出并且制粉装置2的下边缘仍浸在熔体内；
对制粉装置2的内腔抽气使其形成负压，熔体从制粉装置2的底部被吸入并充满制粉装置2的内腔；
驱动制粉装置2高速旋转，熔体经形状、尺寸相同的流出孔4被高速甩成金属液滴；
金属液滴在飞行过程中，在表面张力的作用下收缩凝固，形成金属粉末；
在制粉过程中，顶起装置不断将熔炼坩埚1内的熔体顶升，以确保熔体不断充入制粉装置2中，直至熔炼坩埚1内的熔体完全消耗。
本申请实施例2提供的制备3D打印用金属粉末的方法，解决了现有技术存在的结构设计笨重、制得的金属粉末的尺寸不一，稳定性不高的技术问题。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种制备3D打印用金属粉末的装置，其特征在于，包括熔炼坩埚、抽真空装置以及可升降且可高速旋转的制粉装置；所述熔炼坩埚内底部设有顶起装置；所述制粉装置设置在所述熔炼坩埚的上方，包括中空圆柱状壳体以及设置于所述壳体顶端的端盖；所述壳体的上部沿其周向等间距分布有多个形状、尺寸相同的流出孔；所述抽真空装置用于对所述壳体的内腔抽真空。
2.根据权利要求1所述的制备3D打印用金属粉末的装置，其特征在于，所述流出孔的形状为圆柱和圆台中的任意一种或两种的组合。
3.根据权利要求2所述的制备3D打印用金属粉末的装置，其特征在于，所述流出孔由两个对称设置的圆台和一个位于中间的圆柱组合而成，圆台的小端面与圆柱相连接，且圆柱的直径与圆台小端面的直径相等。
4.根据权利要求1所述的制备3D打印用金属粉末的装置，其特征在于，所述顶起装置包括可升降的顶板；所述顶板包括位于顶部的隔热层以及位于底部的密封层；所述顶板的下方设有驱动装置。
5.根据权利要求4所述的制备3D打印用金属粉末的装置，其特征在于，所述驱动装置为伸缩油缸；所述伸缩油缸的缸体设置在所述熔炼坩埚的外部，所述伸缩油缸的活塞杆穿过所述熔炼坩埚的底部并与所述顶板的下表面相连接。
6.根据权利要求1所述的制备3D打印用金属粉末的装置，其特征在于，所述抽真空装置为真空泵。
7.根据权利要求1所述的制备3D打印用金属粉末的装置，其特征在于，所述制粉装置上设有加热部件和保温部件。
8.根据权利要求7所述的制备3D打印用金属粉末的装置，其特征在于，所述加热部件为感应线圈和/或电阻。
9.一种制备3D打印用金属粉末的方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1-8任意一项所述的制备3D打印用金属粉末的装置，包括以下步骤：
将待融化的金属放入熔炼坩埚熔炼制备熔体；
对制粉装置加热升温；
待金属熔炼均匀后，将制粉装置下降至完全浸入熔体中，使得流出孔内充入熔体，然后将制粉装置上升至流出孔从熔体的液面露出并且制粉装置的下边缘仍浸在熔体内；
对制粉装置的内腔抽气使其形成负压，熔体从制粉装置的底部被吸入并充满制粉装置的内腔；
驱动制粉装置高速旋转，熔体经形状、尺寸相同的流出孔被高速甩成金属液滴；
金属液滴在飞行过程中，在表面张力的作用下收缩凝固，形成金属粉末；
在制粉过程中，顶起装置不断将熔炼坩埚内的熔体顶升，以确保熔体不断充入制粉装置中，直至熔炼坩埚内的熔体完全消耗。
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