CN110976892A - 一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统，包括熔炼室、雾化室、第一旋风分离器、第二旋风分离器、第一集粉罐、第一过滤布袋、第二集粉罐、第一风机、中转罐、旋振筛、气流分级机、第三集粉罐、第三旋风分离器、第四集粉罐、第二过滤布袋、第五集粉罐和第二风机，本发明的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统及方法将金属原料依次通过主设备雾化、旋振筛振动筛分、气流分级机分级工艺，去除了中转桶吊装及翻转的繁琐过程，省时省力，且气流分级机增加成品粉末的收得率及流动性，符合当代高效、快速的工业化生产要求。

Description

一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统及方法
技术领域
本发明涉及金属粉末生产技术领域，具体涉及一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统及方法。
背景技术
3D打印技术以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等材料，通过逐层累计的方法制造产品，特别适合制造网状及内空心的定制化产品。与传统技术相比，该技术不需制造专门模具，且不会产生切削废料，在全球发展迅猛。目前，3D打印技术已广泛运用于航空航天、医疗、模具制造等领域，其中金属3D打印技术则属于3D打印行业中的佼佼者，该技术制造的产品强度和刚度均能满足实际要求。然而，与国际上金属3D打印行业相比，我国在这方面的投入研发还是有一定差距的，特别是在材料的研发和打印设备两方面，我们要走的路还很长。
对于3D打印用的金属粉末，其粉末参数有很高的要求：化学成分纯净度高、粒度分布、粉末球形度高、流动性好、松装密度满足一定要求。与机械球磨法、电化学法相比，目前生产高性能球形金属粉末的方法是真空气雾化方法。该技术的生产原理是在惰性气体保护下，运用高压气体将熔融金属液流击碎为小液滴，将气体的动能转化为金属液流的表面能，小液滴飞行冷却后即为一定粒度范围内的金属粉末。该方法制备金属粉末工艺过程简单，污染小，符合工业化生产的要求。
传统的金属粉末生产方式为真空气雾化主设备获得各粒径段粉末，通过中转罐逐步完成筛分和分级流程，此流程涉及中转罐的吊装、翻转及对接等繁琐过程，严重地耗费时间、人力及惰性气体，与当代绿色环保的发展理念不符。并且真空气雾化技术所制备的粉末存在球形度差，卫星粉及空心粉多的固有缺点，尤其是卫星粉的存在大大降低了金属粉末的流动性，进而影响金属3D打印过程的顺利进行及最终打印件的性能提升。因此，高效、快速地实现工业化生产及减少成品粉末中卫星球所占的比例成为目前急需解决的重难点问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统及方法来解决现有技术中的金属粉末生产流程繁琐，耗时耗力，且生产的粉末质量不高的问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：提供一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统，其特征在于：包括熔炼室、雾化室、第一旋风分离器、第二旋风分离器、第一集粉罐、第一过滤布袋、第二集粉罐、第一风机、中转罐、旋振筛、气流分级机、第三集粉罐、第三旋风分离器、第四集粉罐、第二过滤布袋、第五集粉罐和第二风机，所述熔炼室的下端和雾化室连通，所述雾化室的下端和第一旋风分离器连通，所述第一旋风分离器的上端连通第二旋风分离器，所述第二旋风分离器连通第一过滤布袋，所述第一过滤布袋的上端和第一风机连接，所述第二旋风分离器和第一过滤布袋的下端分别连接第一集粉罐和第二集粉罐；所述第一旋风分离器的下端连通中转罐，所述中转罐下端连通旋振筛上端和第三旋风分离器上端，所述旋振筛下端连通气流分级机，所述气流分级机连通第三旋风分离器，所述第三旋风分离器上端连通第二过滤布袋，所述第二过滤布袋连接第二风机，所述气流分级机、第三旋风分离器和第二过滤布袋下方分别连通第三集粉罐、第四集粉罐和第五集粉罐。
进一步的，所述第二旋风分离器和第一过滤布袋之间设有一排气阀，所述第一集粉罐、第二集粉罐、第三集粉罐、第四集粉罐和第五集粉罐上端均设有气动阀，所述中转罐的上端和下端也均设有气动阀。
进一步的，所述中转罐下端和第三旋风分离器连通的管道为回流管道，所述回流管道上还依次设有流量计、压力表和引风机。
进一步的，所述中转罐和旋振筛连通的管道上还设有电磁给料机，所述旋振筛和气流分级机连通的管道内设有螺旋进料机构。
进一步的，所述气流分级机上设有进气管道、数个拉瓦尔喷嘴和分级区，所述进气管道设于气流分级机外围，且和外部惰性气体环境连通，数个所述拉瓦尔喷嘴均匀设于进气管道上，且所述拉瓦尔喷嘴连通进气管道和气流分级机内部，所述分级区设于气流分级机内部上方。
进一步的，所述第一旋风分离器和第三旋风分离器为一级旋风分离器，第二旋风分离器为二级旋风分离器。
为解决以上技术问题，本发明还提供一种用于增材制造金属粉末的自动化生产方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：
(1)将金属原料置于熔炼室进行真空熔炼，金属熔体通过熔炼室与雾化室之间的喷盘，被高压惰性气体击碎为小液滴，即雾化，小液滴在雾化室下降过程中冷却为各粒径段粉末；
(2)步骤(1)中形成的粒径段粉末随系统内部气流飞行至第一旋风分离器，进入第一旋风分离器的粒径段粉末通过分离作用，细粉末随气体进入第二旋风分离器，粗粉末经分离后下落进入中转罐；
(3)进入第二旋风分离器的细粉末通过分离作用进入第二旋风分离器下端的第一集粉罐，超细粉末随气流进入第一过滤布袋，进入第一过滤布袋的超细粉末最终下落至第二集粉罐内，进入第一过滤布袋的气体通过与第一过滤布袋连接的第一风机排出系统；
(4)进入中转罐的粗粉末通过电磁给料机进入旋振筛，旋振筛将直径为0-53μm的粉末从旋振筛底端逐渐筛出，从旋振筛筛出的粉末通过螺旋进料机构进入气流分级机，通过气流分级机的分级，使得直径为15-53μm的粉末下落至第三集粉罐，0-15μm的粉末通过气流进入依次通过第三旋风分离器和第二过滤布袋进行粉末收集，并将第三旋风分离器和第二过滤布袋收集的粉末分别收集至第四集粉罐和第五集粉罐，所述第三集粉罐内的金属粉末即为所需金属粉末成品。
进一步的，所述步骤(1)中在雾化室中冷却形成的各粒径段粉末根据直径大小分为粗粉末、细粉末和超细粉末。
进一步的，所述步骤(4)中气流分级机的分级过程为：在粉末通过螺旋进料机构进入气流分级机后，开启进气管道，惰性气体通过拉瓦尔喷嘴均匀的进入气流分级机形成超音速气流，通过惰性气体形成的超音速气流将气流分级机内部的粉末进行打散，打散的粉末随着上升气流进入分级区，分级区将打散的粉末按直径大小进行分级。
本发明和现有技术相比，产生的有益效果为：
本发明的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统及方法将金属原料依次通过主设备雾化、旋振筛振动筛分、气流分级机分级工艺，去除了中转桶吊装及翻转的繁琐过程，省时省力。旋振筛与气流分级机之间增设的回流管道，实现闭式自循环，减少惰性气体消耗量及设备氧增量。分级机设计进气管道，打散该区域卫星球上的细粉和相互吸附抱团的细粉，从而增加成品粉末的收得率及流动性，符合当代高效、快速的工业化生产要求。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统的系统结构图。
图2为本发明的气流分级机的的具体结构示意图。
图3为本发明的实施例1制备的金属粉末的示意图。
图4为本发明的实施例2制备的金属粉末的示意图。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统，其具体系统结构如图1所示，包括熔炼室1、雾化室2、第一旋风分离器3、第二旋风分离器4、第一集粉罐5、第一过滤布袋6、第二集粉罐7、第一风机8、中转罐9、旋振筛10、气流分级机11、第三集粉罐12、第三旋风分离器13、第四集粉罐14、第二过滤布袋15、第五集粉罐16和第二风机17，熔炼室1的下端和雾化室2连通，所述雾化室2的下端和第一旋风分离器3连通，第一旋风分离器3的上端连通第二旋风分离器4，第二旋风分离器4连通第一过滤布袋6，第一过滤布袋6的上端和第一风机8连接，所述第二旋风分离器4和第一过滤布袋6的下端分别连接第一集粉罐5和第二集粉罐7；第一旋风分离器3的下端连通中转罐9，中转罐9下端连通旋振筛10上端和第三旋风分离器13上端，旋振筛10下端连通气流分级机11，气流分级机11连通第三旋风分离器13，第三旋风分离器13上端连通第二过滤布袋15，第二过滤布袋15连接第二风机17，所述气流分级机11、第三旋风分离器13和第二过滤布袋15下方分别连通第三集粉罐12、第四集粉罐14和第五集粉罐16。其中，中转罐9和旋振筛10连通的管道上还设有电磁给料机18，所述旋振筛10和气流分级机11连通的管道内设有螺旋进料机构19，其中，第一旋风分离器3和第三旋风分离器13为一级旋风分离器，第二旋风分离器4为二级旋风分离器。
本发明的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统的第二旋风分离器4和第一过滤布袋6之间设有一排气阀20，第一集粉罐5、第二集粉罐7、第三集粉罐12、第四集粉罐14和第五集粉罐16上端均设有排气阀20，中转罐9的上端和下端也均设有排气阀20，排气阀20的作用在于在不使用时关闭排气阀20阻断各个系统部件之间的连通，在系统使用时打开排气阀20，保证各个部分连通而使得生产顺利进行。
本发明在中转罐下9端和第三旋风分离器13连通的管道为回流管道21，所述回流管道21上还依次设有流量计22、压力表23和引风机24，在进入气流分级机11和第三旋风分离器13连通的管道的一部分惰性气流通过引风机24作用回流到旋振筛10入口，并通过压力表23和流量计22控制回流气体属性，保证筛分过程的正常运行，实现了闭式自循环，从而减少惰性气体消耗量及设备氧增量。
本发明的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统的气流分级机11上设有进气管道25、数个拉瓦尔喷嘴26和分级区27，如图2所示，进气管道25设于气流分级机11外围，且和外部惰性气体环境连通，数个拉瓦尔喷嘴26均匀设于进气管道25上，且所述拉瓦尔喷嘴26连通进气管道25和气流分级机11内部，分级区27设于气流分级机11内部上方，进气管道25、数个拉瓦尔喷嘴26和分级区27的设置主要作用是实现粉末按照直径大小进行分级以得到所需要的金属粉末。
本发明还提供一种用于增材制造金属粉末的自动化生产方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：
(1)将金属原料置于熔炼室1进行真空熔炼，金属熔体通过熔炼室1与雾化室2之间的喷盘，被高压惰性气体击碎为小液滴，即雾化，小液滴在雾化室2下降过程中冷却为各粒径段粉末，其中，各粒径段粉末根据直径大小分为粗粉末、细粉末和超细粉末；
(2)步骤(1)中形成的粒径段粉末随系统内部气流飞行至第一旋风分离器3，进入第一旋风分离器3的粒径段粉末通过分离作用，细粉末随气体进入第二旋风分离器4，粗粉末经分离后下落进入中转罐9；
(3)进入第二旋风分离器4的细粉末通过分离作用进入第二旋风分离器4下端的第一集粉罐5，超细粉末随气流进入第一过滤布袋6，进入第一过滤布袋6的超细粉末最终下落至第二集粉罐7内，进入第一过滤布袋6的气体通过与第一过滤布袋6连接的第一风机8排出系统；第二旋风分离器4的使用减少了进入第一过滤布袋6的粉末，增加了第一过滤布袋6的使用寿命。
(4)进入中转罐9的粗粉末通过电磁给料机18进入旋振筛10，旋振筛10将直径为0-53μm的粉末从旋振筛10底端逐渐筛出，从旋振筛10筛出的粉末通过螺旋进料机构19进入气流分级机11，通过气流分级机11的分级，使得直径为15-53μm的粉末下落至第三集粉罐12，0-15μm的粉末通过气流进入依次通过第三旋风分离器13和第二过滤布袋15进行粉末收集，并将第三旋风分离器13和第二过滤布袋15收集的粉末分别收集至第四集粉罐14和第五集粉罐16，进入第二过滤布袋15的气体通过与第二过滤布袋15连接的第二风机17排出系统；在经过气流分级机11对粉末进行分级之后，将直径较小的粉末依次进入第三旋风分离器13和第二过滤布袋15的目的是避免粉末进入空气对空气造成污染，以及增加第二过滤布袋15的使用寿命。其中，对粉末进行分级的过程为：在粉末通过螺旋进料机构19进入气流分级机11后，开启进气管道25，惰性气体通过拉瓦尔喷嘴26均匀的进入气流分级机11形成超音速气流，通过惰性气体形成的超音速气流将气流分级机11内部的粉末进行打散，打散的粉末随着上升气流进入分级区27，分级区27将打散的粉末按直径大小进行分级。第三集粉罐12内的金属粉末即为所需金属粉末成品。
本发明的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统及方法根据系统内部的各参数的不同可得到不同形貌的金属粉末，本发明通过两个实施例提供两种系统不同的参数来描述金属粉末的生产。
实施例1
采用本发明的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统制备金属3D打印用316L不锈钢金属粉末的系统各参数为：采用真空坩埚熔炼，熔炼浇注温度约为1600～1660℃，熔炼室1中间包电磁感应线圈功率为10～20kW，中间漏包系统加热温度不低于1200℃，熔炼室1导流嘴出口处直径为5mm，第一风机8频率采用50Hz，电磁给料机18电压为180V，螺旋进料机构19频率为6Hz，气流分级机11打散压力为0.8Mpa，回流管道21引风机的频率约为20Hz，回流管道21气体压力为0.5Mpa，流量为5m3/min，气流分级机11频率为15Hz，第二风机17频率为45Hz。在第三集粉罐12中收得15～53μm成品粉末，采用激光粒度仪测试成品粉末粒度，其D50值为27μm≤D50≤35μm，采用扫描电镜观察粉末形貌，其粉末形貌如图3所示。
实施例2
采用本发明的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统制备金属3D打印用18Ni300模具钢金属粉末的系统各参数为：采用真空坩埚熔炼，熔炼浇注温度约为1600～1660℃，熔炼室1中间包电磁感应线圈功率为10～20kW，中间漏包系统加热温度不低于1200℃，熔炼室1导流嘴出口处直径为5mm，第一风机8频率采用50Hz，电磁给料机18电压为170V，螺旋进料机构19的频率为5Hz，气流分级机11打散压力为0.8Mpa，回流管道21引风机频率约为18Hz，回流管道21气体压力为0.5Mpa，流量为6m3/min，气流分级机11频率为18Hz，第二风机17频率为47Hz。在第三集粉罐12中收得15～53μm成品粉末，采用激光粒度仪测试成品粉末粒度，其D50值为25μm≤D50≤32μm，采用扫描电镜观察粉末形貌，其粉末形貌如图4所示。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (9)

1.一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统，其特征在于：包括熔炼室、雾化室、第一旋风分离器、第二旋风分离器、第一集粉罐、第一过滤布袋、第二集粉罐、第一风机、中转罐、旋振筛、气流分级机、第三集粉罐、第三旋风分离器、第四集粉罐、第二过滤布袋、第五集粉罐和第二风机，所述熔炼室的下端和雾化室连通，所述雾化室的下端和第一旋风分离器连通，所述第一旋风分离器的上端连通第二旋风分离器，所述第二旋风分离器连通第一过滤布袋，所述第一过滤布袋的上端和第一风机连接，所述第二旋风分离器和第一过滤布袋的下端分别连接第一集粉罐和第二集粉罐；所述第一旋风分离器的下端连通中转罐，所述中转罐下端连通旋振筛上端和第三旋风分离器上端，所述旋振筛下端连通气流分级机，所述气流分级机连通第三旋风分离器，所述第三旋风分离器上端连通第二过滤布袋，所述第二过滤布袋连接第二风机，所述气流分级机、第三旋风分离器和第二过滤布袋下方分别连通第三集粉罐、第四集粉罐和第五集粉罐。
2.根据权利要求1所述的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统，其特征在于：所述第二旋风分离器和第一过滤布袋之间设有一排气阀，所述第一集粉罐、第二集粉罐、第三集粉罐、第四集粉罐和第五集粉罐上端均设有气动阀，所述中转罐的上端和下端也均设有气动阀。
3.根据权利要求1所述的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统，其特征在于：所述中转罐下端和第三旋风分离器连通的管道为回流管道，所述回流管道上还依次设有流量计、压力表和引风机。
4.根据权利要求1所述的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统，其特征在于：所述中转罐和旋振筛连通的管道上还设有电磁给料机，所述旋振筛和气流分级机连通的管道内设有螺旋进料机构。
5.根据权利要求1所述的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统，其特征在于：所述气流分级机上设有进气管道、数个拉瓦尔喷嘴和分级区，所述进气管道设于气流分级机外围，且和外部惰性气体环境连通，数个所述拉瓦尔喷嘴均匀设于进气管道上，且所述拉瓦尔喷嘴连通进气管道和气流分级机内部，所述分级区设于气流分级机内部上方。
6.根据权利要求1所述的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产系统，其特征在于：所述第一旋风分离器和第三旋风分离器为一级旋风分离器，第二旋风分离器为二级旋风分离器。
7.一种用于增材制造金属粉末的自动化生产方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)将金属原料置于熔炼室进行真空熔炼，金属熔体通过熔炼室与雾化室之间的喷盘，被高压惰性气体击碎为小液滴，即雾化，小液滴在雾化室下降过程中冷却为各粒径段粉末；
(2)步骤(1)中形成的粒径段粉末随系统内部气流飞行至第一旋风分离器，进入第一旋风分离器的粒径段粉末通过分离作用，细粉末随气体进入第二旋风分离器，粗粉末经分离后下落进入中转罐；
(3)进入第二旋风分离器的细粉末通过分离作用进入第二旋风分离器下端的第一集粉罐，超细粉末随气流进入第一过滤布袋，进入第一过滤布袋的超细粉末最终下落至第二集粉罐内，进入第一过滤布袋的气体通过与第一过滤布袋连接的第一风机排出系统；
(4)进入中转罐的粗粉末通过电磁给料机进入旋振筛，旋振筛将直径为0-53μm的粉末从旋振筛底端逐渐筛出，从旋振筛筛出的粉末通过螺旋进料机构进入气流分级机，通过气流分级机的分级，使得直径为15-53μm的粉末下落至第三集粉罐，0-15μm的粉末通过气流进入依次通过第三旋风分离器和第二过滤布袋进行粉末收集，并将第三旋风分离器和第二过滤布袋收集的粉末分别收集至第四集粉罐和第五集粉罐，所述第三集粉罐内的金属粉末即为所需金属粉末成品。
8.根据权利要求7所述的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产方法，其特征在于：所述步骤(1)中在雾化室中冷却形成的各粒径段粉末根据直径大小分为粗粉末、细粉末和超细粉末。
9.根据权利要求7所述的一种用于增材制造金属粉末的自动化生产方法，其特征在于：所述步骤(4)中气流分级机的分级过程为：在粉末通过螺旋进料机构进入气流分级机后，开启进气管道，惰性气体通过拉瓦尔喷嘴均匀的进入气流分级机形成超音速气流，通过惰性气体形成的超音速气流将气流分级机内部的粉末进行打散，打散的粉末随着上升气流进入分级区，分级区将打散的粉末按直径大小进行分级。
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