CN110961641A - 一种3d打印用金属粉末的制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种3D打印用金属粉末的制备装置及方法，炉体包括制粉腔室和制液腔室；制粉腔室的外部设有集粉罐，内部设有第一熔炼坩埚；第一熔炼坩埚的上方设有制粉装置；制粉装置包括旋转盘以及可升降且可翻转的电主轴；旋转盘设置在第一熔炼坩埚靠近集粉罐一侧的上方；电主轴设置在旋转盘的上方用以驱动旋转盘转动，其旋转轴与旋转盘的中心相连接；制液腔室内设有可平移且可翻转的用于熔炼金属补料液的第二熔炼坩埚。解决了现有技术存在的按炉次制粉不能连续生产、细粉收得率不高的技术问题。

Description

一种3D打印用金属粉末的制备装置及制备方法

技术领域

本申请涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印用金属粉末的制备装置及制备方法。

背景技术

随着加工技术的发展及革新，粉末材料在汽车、航天、航空、交通运输、生物医学等领域的应用越来越广泛，尤其是随着3D打印技术的迅猛发展，制造领域对于3D打印金属粉末的需求更为迫切。目前，国内外生产金属球形粉末的主要方式是高压气体雾化法，这种方法是是利用高压气流将金属液流冲散成小液滴，冷却凝固成金属粉末，也正是因为高压气流，导致制备所得的金属粉末存在一定数量的空心粉末、颗粒表面存在卫星球等缺陷，严重制约国内金属3D打印增材制造行业的发展。

旋转离心法制粉可以克服高压气体雾化法的上述缺陷，制备出形貌尚佳的高品质金属粉末。但现有旋转离心制粉法受限于旋转平台的结构设计、转速及制备工艺，仍存在如下缺陷：按炉次制粉不能连续生产、细粉收得率不高。

发明内容

本申请的目的是针对以上问题，提供一种3D打印用金属粉末的制备装置及制备方法。具体技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种3D打印用金属粉末的制备装置，包括炉体，所述炉体包括制粉腔室和制液腔室；

所述制粉腔室的外部设有集粉罐，内部设有第一熔炼坩埚；所述第一熔炼坩埚的上方设有制粉装置；所述制粉装置包括旋转盘以及可升降且可翻转的电主轴；所述旋转盘设置在所述第一熔炼坩埚靠近所述集粉罐一侧的上方；所述电主轴设置在所述旋转盘的上方用以驱动旋转盘转动，其旋转轴与所述旋转盘的中心相连接；

所述制液腔室内设有可平移且可翻转的用于熔炼金属补料液的第二熔炼坩埚。

根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述第一熔炼坩埚靠近所述旋转盘一侧的内侧壁上设有液位传感器。

根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述第一熔炼坩埚的下方固定连接有可向所述集粉罐一侧翻转的云台。

根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述3D打印用金属粉末的制备装置还包括对所述制粉腔室、所述制液腔室以及所述集粉罐抽真空处理的抽真空装置。

根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述抽真空装置包括第一真空泵和第二真空泵；所述第一真空泵和所述第二真空泵之间设有用于连通或隔断所述第一真空泵和所述第二真空泵的高真空电磁阀。

根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述制粉腔室和所述制液腔室之间设有用于连通或隔断所述制粉腔室和所述制液腔室的开关装置。

根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述开关装置为第一插板阀。

根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述集粉罐通过快接卡扣连接于所述制粉腔室的外侧壁上。

根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述制粉腔室与所述集粉罐之间设有用于连通或隔断所述制粉腔室与所述集粉罐的第二插板阀。

第二方面，本申请还提供一种3D打印用金属粉末的制备方法，所述制备方法采用上述所述的3D打印用金属粉末的制备装置，包括以下步骤：

将待融化的金属放入第一熔炼坩埚和第二熔炼坩埚内；

将制备装置抽真空至6.63×10^-3Pa后，将金属在第一熔炼坩埚内熔炼制备金属制粉液，将金属在第二熔炼坩埚内熔炼制备金属补料液；

控制电主轴向靠近第一熔炼坩埚一侧移动，并向靠近集粉罐一侧翻转，从而使旋转盘的切向边与金属制粉液的液面相接触；

通过电主轴驱动旋转盘高速旋转，金属制粉液沿旋转盘的切向被高速甩成金属液滴；

金属液滴在表面张力的作用下收缩凝固，形成金属粉末，并被收集在集粉罐内；

当第一熔炼坩埚内的金属制粉液的液面下降至无法满足金属液滴越过第一熔炼坩埚的边缘时，控制第二熔炼坩埚平移至靠近第一熔炼坩埚，控制第二熔炼坩埚翻转使第二熔炼坩埚内的金属补料液补充至第一熔炼坩埚内；

向第二熔炼坩埚内补充金属原料继续熔炼制备金属补料液，第一熔炼坩埚继续制粉。

本申请实施例有益效果：通过控制电主轴升降以及翻转使得旋转盘的切向边与第一熔炼坩埚内的金属制粉液的液面相接触，通过电主轴驱动旋转盘高速旋转使金属液滴沿旋转盘的切向被高速甩出，形成金属粉末，并收集在集粉罐内；当第一熔炼坩埚内金属制粉液不足时，通过控制第二熔炼坩埚平移和翻转将第二熔炼坩埚内的金属补料液补充至第一熔炼坩埚内继续制粉；该装置通过采用电主轴驱动旋转盘高速旋转可以获得较高的细粉收得率，通过设置可平移且可翻转的第二熔炼坩埚可以对第一熔炼坩埚补料从而实现了连续制粉，提高了生产效率；此外，采用该制备装置所制得的金属粉末消除了空心粉末、颗粒表面存在卫星球的缺陷。

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3D打印用金属粉末的制备装置的结构示意图；

图2为本申请实施例1所提供的3D打印用金属粉末的制备装置补料状态的结构示意图；

图3为本申请实施例1所提供的3D打印用金属粉末的制备装置的云台翻转状态的结构示意图。

图中所述文字标注表示为：

1、制粉腔室；2、制液腔室；3、集粉罐；4、第一熔炼坩埚；5、旋转盘；6、电主轴；7、第二熔炼坩埚；8、第一真空泵；9、第二真空泵；10、快接卡扣；11、液位传感器；12、云台。

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3D打印用金属粉末的制备装置，该制备装置包括炉体，炉体包括并排设置的制粉腔室1和制液腔室2，其中在制粉腔室1内制备金属粉末，在制液腔室2内制备用于制粉腔室1连续制粉所需的金属补充液；制粉腔室1的外部设有用于收集制备的金属粉末的集粉罐3，制粉腔室1的内部设有第一熔炼坩埚4，第一熔炼坩埚4的上方设有制粉装置，制粉装置包括旋转盘5以及可升降且可翻转的电主轴6，旋转盘5设置在第一熔炼坩埚4靠近集粉罐3一侧的上方，电主轴6设置在旋转盘5的上方用以驱动旋转盘5高速转动，电主轴6的转速可以在0～100000rpm(转/分)范围内进行调节，电主轴6的旋转轴与旋转盘5的中心相连接；制液腔室2内设有可平移且可翻转的用于熔炼金属补料液的第二熔炼坩埚7，第二熔炼坩埚7的高度高于第一熔炼坩埚4的高度，更便于将第二熔炼坩埚7内的金属补料液补充至第一熔炼坩埚4内。其中，第一熔炼坩埚4和第二熔炼坩埚7熔炼的加热方式可以是感应线圈加热和/或电阻加热。

在本实施例中，电主轴6可通过位置调节机构来控制，该位置调节机构可包括伸缩气缸，伸缩气缸的活塞杆上连接有旋转气缸，旋转气缸的旋转角度可调，旋转气缸的旋转轴与电主轴6的外壳侧壁相连接，且旋转气缸的旋转轴与电主轴6的旋转轴垂直设置，在使用时，通过伸缩气缸的活塞杆伸缩带动旋转气缸升降，从而带动与之相连的电主轴6升降，进而带动旋转盘5升降，实现对旋转盘5高度的调节；通过旋转气缸的旋转轴转动带动电主轴6翻转，从而带动旋转盘5翻转，实现对旋转盘5倾斜角度的调节。在本申请的其他实施例中，电主轴6也可以采用现有技术中其他既能够控制电主轴6升降又可以控制电主轴6翻转的任意一种机构或装置来控制。

在本实施例中，第二熔炼坩埚7可通过补料机构来控制，该补料机构包括传动装置和翻转装置，传动装置包括连杆和伸缩气缸，伸缩气缸设置在制液腔室2的右侧侧壁，伸缩气缸的缸体部分设置在制液腔室2的外部，伸缩气缸的活塞杆穿入制液腔室2内并可左右方向伸缩，连杆的一端通过销轴与第二熔炼坩埚7的中上部铰接，另一端与活塞杆相连接，需要补料时，通过伸缩气缸的活塞杆推动连杆，进而将第二熔炼坩埚7推动至位于制粉腔室1内第一熔炼坩埚4右侧的待翻转处；翻转装置包括设置在制粉腔室1底部的伸缩气缸，伸缩气缸的缸体部分设置在制粉腔室1的外部，伸缩气缸的活塞杆穿入制粉腔室1内并且位于待翻转处的右下方，伸缩气缸的活塞杆顶端连接有推板，当第二熔炼坩埚7已到达待翻转处时，通过伸缩气缸的活塞杆带动推板将第二熔炼坩埚7的底部右侧边缘向上顶起，即可使得第二熔炼坩埚7向左侧翻转，将内部的金属补料液倒入第一熔炼坩埚4内。在本申请的其他实施例中，第二熔炼坩埚7也可以采用现有技术中其他既能够控制第二熔炼坩埚7平移又可以控制第二熔炼坩埚7翻转的任意一种机构或装置来控制。

本实施例提供的3D打印用金属粉末的制备装置的工作过程如下：第一熔炼坩埚4和第二熔炼坩埚7内分别放入待融化的金属，在第一熔炼坩埚4内熔炼制备金属制粉液，同时在第二熔炼坩埚7内熔炼制备金属补料液；通过位置调节机构，将旋转盘5的高度下调并使之向集粉罐3一侧倾斜，使得旋转盘5的最低端的切向边刚好能够接触到第一熔炼坩埚4内金属制粉液的液面；通过电主轴6驱动旋转盘5超高速旋转(100000rpm)，金属制粉液沿旋转盘5的切向被超高速甩成细小的金属液滴，细小的金属液滴在表面张力的作用下收缩凝固，形成金属粉末，并飞行至集粉罐3中被集中收集；由此提高了细粉收得率，且所制得的金属粉末消除了空心粉末、颗粒表面存在卫星球的缺陷。在制粉的过程中，随着第一熔炼坩埚4内液位的变化可以逐渐将旋转盘5下移，当金属液滴无法从第一熔炼坩埚4的边缘飞出时，通过补料机构将第二熔炼坩埚7内的金属补料液补充至第一熔炼坩埚4内继续制粉，同时第二熔炼坩埚7再被复位至制液腔室2内，继续对待融化的金属进行熔炼以制备金属补料液，从而可以实现连续制粉，提高了生产效率。

优选的，第一熔炼坩埚4靠近旋转盘5一侧的内侧壁上设有液位传感器11，用于检测第一熔炼坩埚4内液位的变化，该液位传感器可以为热电偶传感器。

请进一步参考图3，优选的，第一熔炼坩埚4的下方固定连接有可向集粉罐3一侧翻转的云台12。在本实施例中，可通过在云台远离集粉罐3一侧的底部连接升降装置，比如伸缩油缸，当旋转盘5下移也无法使金属液滴越过第一熔炼坩埚4的边缘时，通过伸缩油缸将云台12远离集粉罐3的一侧顶起抬高，从而使得第一熔炼坩埚4的一侧抬高，使得较低一侧的液面升高，从而可以继续制粉。在本申请的其他实施例中，云台12也可以采用现有技术中其他能够控制其翻转的任意一种机构或装置来控制。

优选的，该3D打印用金属粉末的制备装置还包括对制粉腔室1、制液腔室2以及集粉罐3抽真空处理的抽真空装置，可以大大降低金属粉末在制备过程中被氧化的程度。该抽真空装置包括第一真空泵8和第二真空泵9，第一真空泵8用于对制粉腔室1、制液腔室2以及集粉罐3抽低真空，其真空度可达到10^-1Pa量级，第二真空泵9用于对制粉腔室1、制液腔室2以及集粉罐3抽高真空，其真空度可达到10^-3Pa量级，第一真空泵8和第二真空泵9之间设有用于连通或隔断第一真空泵8和第二真空泵9的高真空电磁阀，从而实现第二真空泵9与制粉腔室1、制液腔室2以及集粉罐3的连通或隔断。

优选的，制粉腔室1和制液腔室2之间设有用于连通或隔断制粉腔室1和制液腔室2的开关装置，在本实施例中，开关装置优选的为第一插板阀。

优选的，集粉罐3与制粉腔室1之间通过法兰连接，并通过快接卡扣10固定于制粉腔室1的外侧壁上，有利于集粉罐3的更换。在制备之前，将集粉罐3通过快接卡扣10卡接在制粉腔室1的外侧壁上并锁紧，卡接处嵌设有密封圈以确保制粉腔室1与集粉罐3连通时的密封性。

优选的，制粉腔室1与集粉罐3之间设有用于连通或隔断制粉腔室1与集粉罐3的第二插板阀。当集粉罐3内的金属粉末收集满之后，可通过第二插板阀切断集粉罐3与制粉腔室1之间的连通，待更换好空的集粉罐3之后，再继续对金属粉末进行收集。

本实施例提供的3D打印用金属粉末的制备装置解决了现有技术存在的按炉次制粉不能连续生产、细粉收得率不高的技术问题，同时降低了金属粉末在制备过程中被氧化的程度。

实施例2

本申请实施例2提供了一种3D打印用金属粉末的制备方法，该制备方法采用如图1中所示的3D打印用金属粉末的制备装置来制备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第一熔炼坩埚和第二熔炼坩埚内；

将制备装置抽真空至6.63×10^-3Pa后，将金属在第一熔炼坩埚内熔炼制备金属制粉液，将金属在第二熔炼坩埚内熔炼制备金属补料液；

控制电主轴向靠近第一熔炼坩埚一侧移动，并向靠近集粉罐一侧翻转，从而使旋转盘的切向边与金属制粉液的液面相接触；

通过电主轴驱动旋转盘高速旋转，金属制粉液沿旋转盘的切向被高速甩成金属液滴；

金属液滴在表面张力的作用下收缩凝固，形成金属粉末，并被收集在集粉罐内；

当第一熔炼坩埚内的金属制粉液的液面下降至无法满足金属液滴越过第一熔炼坩埚的边缘时，控制第二熔炼坩埚平移至靠近第一熔炼坩埚，控制第二熔炼坩埚翻转使第二熔炼坩埚内的金属补料液补充至第一熔炼坩埚内；

向第二熔炼坩埚内补充金属原料继续熔炼制备金属补料液，第一熔炼坩埚继续制粉。

其中，在对设备进行抽真空时，可以分两次抽真空，先抽低真空，将真空抽至6.63×10^-1Pa，再抽高真空，将真空抽至6.63×10^-3Pa，防止直接抽高真空对设备造成损坏；在对旋转盘5的位置进行调整时，可以首先控制电主轴6下降粗调旋转盘5至不接触到熔融的金属制粉液的液面之上一定高度，通过电主轴6驱动旋转盘5低速旋转，通过热辐射使旋转盘5获得初始温度，防止旋转盘5在接触到熔融金属制粉液时因温差太大而在表面冷却结壳，当第一熔炼坩埚4内的金属制粉液的温度升至熔点，熔炼均匀后，旋转盘5的初始温度不再大幅度上升，此时再通过控制电主轴翻转以升降对旋转盘5微调使其切向边与金属制粉液的液面相接触；向第二熔炼坩埚7内补充金属原料后需要再抽真空，然后继续熔炼制备金属补料液。

上述制粉过程可以是在真空环境下进行，也可以是在反充惰性保护气体环境下进行，具体的视所制备的金属粉末的质量要求而定。

本申请实施例2提供的3D打印用金属粉末的制备方法，解决了现有技术存在的按炉次制粉不能连续生产、细粉收得率不高的技术问题，同时降低了金属粉末在制备过程中被氧化的程度。

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 (10)

1.一种3D打印用金属粉末的制备装置，包括炉体，其特征在于，所述炉体包括制粉腔室和制液腔室；

所述制粉腔室的外部设有集粉罐，内部设有第一熔炼坩埚；所述第一熔炼坩埚的上方设有制粉装置；所述制粉装置包括旋转盘以及可升降且可翻转的电主轴；所述旋转盘设置在所述第一熔炼坩埚靠近所述集粉罐一侧的上方；所述电主轴设置在所述旋转盘的上方用以驱动旋转盘转动，其旋转轴与所述旋转盘的中心相连接；

所述制液腔室内设有可平移且可翻转的用于熔炼金属补料液的第二熔炼坩埚。

2.根据权利要求1所述的3D打印用金属粉末的制备装置，其特征在于，所述第一熔炼坩埚靠近所述旋转盘一侧的内侧壁上设有液位传感器。

3.根据权利要求1所述的3D打印用金属粉末的制备装置，其特征在于，所述第一熔炼坩埚的下方固定连接有可向所述集粉罐一侧翻转的云台。

4.根据权利要求1所述的3D打印用金属粉末的制备装置，其特征在于，还包括对所述制粉腔室、所述制液腔室以及所述集粉罐抽真空处理的抽真空装置。

5.根据权利要求4所述的3D打印用金属粉末的制备装置，其特征在于，所述抽真空装置包括第一真空泵和第二真空泵；所述第一真空泵和所述第二真空泵之间设有用于连通或隔断所述第一真空泵和所述第二真空泵的高真空电磁阀。

6.根据权利要求1所述的3D打印用金属粉末的制备装置，其特征在于，所述制粉腔室和所述制液腔室之间设有用于连通或隔断所述制粉腔室和所述制液腔室的开关装置。

7.根据权利要求6所述的3D打印用金属粉末的制备装置，其特征在于，所述开关装置为第一插板阀。

8.根据权利要求1所述的3D打印用金属粉末的制备装置，其特征在于，所述集粉罐通过快接卡扣连接于所述制粉腔室的外侧壁上。

9.根据权利要求1所述的3D打印用金属粉末的制备装置，其特征在于，所述制粉腔室与所述集粉罐之间设有用于连通或隔断所述制粉腔室与所述集粉罐的第二插板阀。

10.一种3D打印用金属粉末的制备方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1-9任意一项所述的3D打印用金属粉末的制备装置，包括以下步骤：

将待融化的金属放入第一熔炼坩埚和第二熔炼坩埚内；

将制备装置抽真空至6.63×10^-3Pa后，将金属在第一熔炼坩埚内熔炼制备金属制粉液，将金属在第二熔炼坩埚内熔炼制备金属补料液；

控制电主轴向靠近第一熔炼坩埚一侧移动，并向靠近集粉罐一侧翻转，从而使旋转盘的切向边与金属制粉液的液面相接触；

通过电主轴驱动旋转盘高速旋转，金属制粉液沿旋转盘的切向被高速甩成金属液滴；

金属液滴在表面张力的作用下收缩凝固，形成金属粉末，并被收集在集粉罐内；

当第一熔炼坩埚内的金属制粉液的液面下降至无法满足金属液滴越过第一熔炼坩埚的边缘时，控制第二熔炼坩埚平移至靠近第一熔炼坩埚，控制第二熔炼坩埚翻转使第二熔炼坩埚内的金属补料液补充至第一熔炼坩埚内；

向第二熔炼坩埚内补充金属原料继续熔炼制备金属补料液，第一熔炼坩埚继续制粉。

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