CN116117167A - 一种提高金属增材制造粉末利用率的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高金属增材制造粉末利用率的方法及系统，涉及金属增材制造技术领域，包括：将使用过的旧粉末进行振动筛分，并取样进行检验分析；当旧粉末检验分析结果为品质达标，则继续使用；当旧粉末检验分析结果为品质未达标，则与新粉末按比例进行混合；将所述混合后金属粉末的品质进行检验分析；当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质达标，则进行封装；当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质未达标，则重新将未达标的金属粉末与新粉末按比例进行混合，直至达标。该方法有效增加了金属增材制造用粉末重复利用次数，提高粉末利用率，显著降低金属增材制造成本，提高产品的附加值，同时减少废旧金属粉末对环境的污染。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，尤其涉及一种提高金属增材制造粉末利用率的方法及系统。
背景技术
金属增材制造技术是指用金属粉末为原材料，基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动自下而上直接成形零件的一种制造手段。金属粉末作为金属增材制造的原材料，其质量的好坏、价格的高低直接决定了增材制造产品的质量和产品的价值。
当前，随着气雾化制粉技术、等离子旋转电极雾化技术的快速进步和制粉装备的迭代升级，绝大多数国内外制粉企业都能稳定生产出满足增材制造用的球形粉末。因增材制造用球形粉末制备技术的限制，当前粉末的市场价格仍然处于高位。为有效推广金属增材制造技术，降低金属增材制造成本，提高产品附加值，改善金属增材制造过程中粉末原料的利用率具有十分重要意义。
专利CN114131043A，公开了“一种提高TC4钛合金粉末利用率的方法”，具体包括：步骤S1、提供第一TC4钛合金粉末，第一TC4钛合金粉末粒径段的下限为10-15μm，上限为75-90μm；步骤S2、以第一TC4钛合金粉末为原料进行3D激光打印，设置工艺参数为：激光功率范围为100-300W，激光扫描速度为400-1600mm/s，打印层厚为20-70μm，激光道间距为0.06-0.13mm，扫描策略为棋盘或者分区，在成型基板上的铺粉速度设为8mm/s-50mm/s，进行打印，得到目标样品。该方法是通过调整打印工艺来扩大金属粉末的使用粒度范围，仅能降低打印用粉末成本，但存在打印工艺稳定性不高，调控难度大及工艺与粉末匹配性差等缺点，且并未重复利用打印过的金属粉末。
发明内容
本发明目的在于提供一种提高金属增材制造粉末利用率的方法及系统，有效增加了金属增材制造用粉末重复利用次数，提高粉末利用率，显著降低金属增材制造成本，为金属增材制造技术推广及产品应用提供有力支撑。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
根据本公开的一个方面，提供一种提高金属增材制造粉末利用率的方法，所述方法包括如下步骤：
将使用过的旧粉末进行振动筛分，并取样进行检验分析；
当旧粉末检验分析结果为品质达标，则继续使用；当旧粉末检验分析结果为品质未达标，则与新粉末按比例进行混合，得到混合后金属粉末；
将所述混合后金属粉末的品质进行检验分析；
当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质达标，则进行封装；
当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质未达标，则重新将未达标的金属粉末与新粉末按比例进行混合，直至达标。
在一种可能的实施方式中，所述的将使用过的旧粉末进行筛分之前还包括如下步骤：
选择粒径合适的金属粉末作为原料，并放置在电子束3D打印机设备粉仓中；
选择与所述原料相同的金属粉末作为打印材料，设置打印工艺参数进行3D打印；
打印完成后，清理已烧结的金属粉末，并收集使用过的旧粉末。
在一种可能的实施方式中，所述金属粉末为Ti6Al4V合金粉末，其粒径为45-105μm。
在一种可能的实施方式中，所述打印工艺参数包括：
铺粉层厚为50μm；预热温度为550-750℃；扫描速度为1200-10000mm/s；束流为10-24mA；光斑直径为100-300μm。
在一种可能的实施方式中，所述旧粉末与新粉末的比例为1：1～10；其中，
所述新粉末为未打印过且粒径为45-105μm的金属粉末。
在一种可能的实施方式中，所述检验分析的内容包括：
氧含量、流动性和粒度分布。
在一种可能的实施方式中，所述品质达标包括：
氧含量≤1200ppm；
流动性：28s/50g-34s/50g；
粒度分布：86μm≤D90≤106μm；55μm≤D50≤68μm；30μm≤D10≤40μm。
根据本公开的一个方面，提供一种提高金属增材制造粉末利用率的系统，所述系统包括筛分单元、混合单元、检验分析单元、封装单元和重新混合单元；其中，
筛分单元，用于将使用过的旧粉末进行振动筛分，并取样进行检验分析；
混合单元，用于当旧粉末检验分析结果为品质达标，则继续使用；当旧粉末检验分析结果为品质未达标，则与新粉末按比例进行混合，得到混合后金属粉末；
检验分析单元，用于将所述混合后金属粉末的品质进行检验分析；
封装单元，用于当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质达标，则进行封装；
重新混合单元，用于当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质未达标，则将未达标的金属粉末与新粉末按比例进行重新混合，直至达标。
在一种可能的实施方式中，所述系统还包括放置单元、打印单元和收集单元；其中
放置单元，用于选择粒径合适的金属粉末作为原料，并放置到电子束3D打印机设备粉仓中；
打印单元，用于选择与所述原料相同的金属粉末作为打印材料，设置打印工艺参数进行3D打印；
收集单元，用于打印完成后，清理已烧结的金属粉末，并收集使用过的旧粉末。
本发明的技术效果和优点：
通过对金属增材制造成形后的粉末进行重新配比、检验，进而实现粉末高效重复利用的目的。具体地，将开发使用过的3D打印金属粉末与新购粉末进行重新配比，并采用机械混合的方式将上述两种粉末均匀混合，然后对混合后粉末氧含量、流动性和粒度分布进行检测，实现旧粉的多次重复利用，以提高粉末利用率，降低金属增材制造成本，提高产品的附加值，同时减少废旧金属粉末对环境的污染。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明示例性实施例的一种提高金属增材制造粉末利用率的方法示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的设计构思包括：
金属增材制造过程中，涉及粉末的装载、零部件成形、零部件后处理及粉末的回收四项流程。其中金属粉末的回收比例及重复利用次数直接决定了增材制造产品的原料成本。常规的粉末回收主要是采用机械装置对增材制造装备内的粉末进行清理，然后对清理的金属粉末进行筛分、检验检测、封装。本发明拟在金属粉末筛分后增加一道混粉工序，具体地，根据粉末状态，选择不同配比方案，以改善粉末的质量，如保证粉末粒度分布的均匀性、提高粉末的流动性、降低粉末的氧含量，最终使得混合后的金属粉末满足重复使用的条件，提高粉末的综合利用率，降低金属增材制造成本。
图1为本发明示例性实施例的一种提高金属增材制造粉末利用率的方法示意图，如图1所示，本发明的示例性实施例提供了一种提高金属增材制造粉末利用率的方法，包括如下步骤：
步骤(1)、选择粒径合适的金属粉末作为原料，并放置到电子束3D打印机设备粉仓中；其中，所述金属粉末为Ti6Al4V合金粉末，其粒径为45-105μm。
步骤(2)、选择与所述原料相同的金属粉末作为打印材料，设置打印工艺参数进行3D打印；其中，选择的打印材料为Ti6Al4V合金粉末，打印工艺参数具体包括：铺粉层厚为50μm，预热温度为550-750℃，扫描速度为1200-10000mm/s，束流为10-24mA；光斑直径为100-300μm。
步骤(3)、打印完成后，清理已烧结的金属粉末，并收集使用过的旧粉末。
步骤(4)、将收集的使用过的旧粉末吹散，并用45-120μm的筛网进行振动筛分，获得筛分后的旧粉末，然后取样进行检验分析；
步骤(5)、当旧粉末检验分析结果为品质达标，则继续使用；当旧粉末检验分析结果为品质未达标，则将筛分后的旧粉末与新粉末(未打印过且粒径为45-105μm的粉末)按比例混合，根据粉末重复使用次数可将混合比例设置为1：1～10，优选为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10。
步骤(6)、对混合金属粉末的品质进行检验分析。
步骤(7)、当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质达标，则进行封装；
步骤(8)、当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质未达标，则重复步骤(5)，重新将未达标的金属粉末与新粉末按比例进行混合，直至达标。
在本发明的步骤(4)～(7)中，检验分析的内容包括：氧含量、流动性和粒度分布；当满足氧含量≤1200ppm；流动性：28s/50g-34s/50g；粒度分布：86μm≤D90≤106μm，55μm≤D50≤68μm，30μm≤D10≤40μm，则认为品质达标；否则为品质未达标。
实施例：
步骤(1)、选择粒径为45-105μm的Ti6Al4V合金粉末为原料，并放置在电子束3D打印机设备粉仓中。
步骤(2)、在电子束3D打印机工艺栏选择成型材料为Ti6Al4V，设置打印工艺参数进行3D打印，所述打印工艺参数包括：铺粉层厚为50μm，预热温度为730℃，扫描速度为3000mm/s，束流为16mA；光斑直径为150μm。
步骤(3)、打印完成后，清理烧结的金属粉末，并收集使用过的旧粉末。
步骤(4)、将收集的使用过的旧粉末吹散，并用45-120μm的筛网进行振动筛分，获得筛分后的旧粉末，然后随机取样进行检验分析，检测分析旧粉末的性能，包括：氧含量、流动性以及粒度分布。
步骤(5)、结合旧粉末性能变化差异选择是否将旧粉末与新粉末(粒度为45-105μm的未使用过的Ti6Al4V合金粉末)混合，如旧粉末性能满足要求，即氧含量≤1200ppm；流动性：28s/50g-34s/50g；粒度分布：86μm≤D90≤106μm；55μm≤D50≤68μm；30μm≤D10≤40μm，则继续使用，并重复步骤(1)—(4)。当粉末重复使用次数达到10次，此时旧粉末检验分析结果为品质未达标，说明旧粉末的物化特性已不能满足所有性能要求，即将筛分后的旧粉末与新粉末按比例1:4混合。
步骤(6)、对混合金属粉末的品质进行检验分析。
步骤(7)、所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质达标，则进行下一步的封装步骤。混合金属粉末满足使用性能要求，有效的减少了新粉使用量，回收了旧粉，充分的提高了粉末利用率。
基于上述方法，本发明的示例性实施例还提供了一种提高金属增材制造粉末利用率的系统，包括：筛分单元、混合单元、检验分析单元、封装单元和重新混合单元；其中，筛分单元，用于将使用过的旧粉末进行振动筛分，并取样进行检验分析；混合单元，用于当旧粉末检验分析结果为品质达标，则继续使用；当旧粉末检验分析结果为品质未达标，则与新粉末按比例进行混合，得到混合后金属粉末；检验分析单元，用于将所述混合后金属粉末的品质进行检验分析；封装单元，用于当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质达标，则进行封装；重新混合单元，用于当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质未达标，则将未达标的金属粉末与新粉末按比例进行重新混合，直至达标。
进一步地，所述系统还包括放置单元、打印单元和收集单元；其中，放置单元，用于选择粒径合适的金属粉末作为原料，并放置到电子束3D打印机设备粉仓中；打印单元，用于选择与所述原料相同的金属粉末作为打印材料，编辑打印工艺参数进行3D打印；收集单元，用于打印完成后，清理已烧结的金属粉末，并收集使用过的旧粉末。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种提高金属增材制造粉末利用率的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将使用过的旧粉末进行振动筛分，并取样进行检验分析；
当旧粉末检验分析结果为品质达标，则继续使用；当旧粉末检验分析结果为品质未达标，则与新粉末按比例进行混合，得到混合后金属粉末；
将所述混合后金属粉末的品质进行检验分析；
当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质达标，则进行封装；
当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质未达标，则重新将未达标的金属粉末与新粉末按比例进行混合，直至达标。
2.根据权利要求1所述的一种提高金属增材制造粉末利用率的方法，其特征在于，所述的将使用过的旧粉末进行筛分之前还包括如下步骤：
选择粒径合适的金属粉末作为原料，并放置在电子束3D打印机设备粉仓中；
选择与所述原料相同的金属粉末作为打印材料，设置打印工艺参数进行3D打印；
打印完成后，清理已烧结的金属粉末，并收集使用过的旧粉末。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高金属增材制造粉末利用率的方法，其特征在于，所述金属粉末为Ti6Al4V合金粉末，其粒径为45-105μm。
4.根据权利要求2所述的一种提高金属增材制造粉末利用率的方法，其特征在于，所述打印工艺参数包括：
铺粉层厚为50μm；预热温度为550-750℃；扫描速度为1200-10000mm/s；束流为10-24mA；光斑直径为100-300μm。
5.根据权利要求1所述的一种提高金属增材制造粉末利用率的方法，其特征在于，所述旧粉末与新粉末的比例为1：1～10；其中，
所述新粉末为未打印过且粒径为45-105μm的金属粉末。
6.根据权利要求1所述的一种提高金属增材制造粉末利用率的方法，其特征在于，所述检验分析的内容包括：
氧含量、流动性和粒度分布。
7.根据权利要求1所述的一种提高金属增材制造粉末利用率的方法，其特征在于，所述品质达标包括：
氧含量≤1200ppm；
流动性：28s/50g-34s/50g；
粒度分布：86μm≤D90≤106μm；55μm≤D50≤68μm；30μm≤D10≤40μm。
8.一种提高金属增材制造粉末利用率的系统，其特征在于，所述系统包括筛分单元、混合单元、检验分析单元、封装单元和重新混合单元；其中，
筛分单元，用于将使用过的旧粉末进行振动筛分，并取样进行检验分析；
混合单元，用于当旧粉末检验分析结果为品质达标，则继续使用；当旧粉末检验分析结果为品质未达标，则与新粉末按比例进行混合，得到混合后金属粉末；
检验分析单元，用于将所述混合后金属粉末的品质进行检验分析；
封装单元，用于当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质达标，则进行封装；
重新混合单元，用于当所述混合后金属粉末的检验分析结果为品质未达标，则将未达标的金属粉末与新粉末按比例进行重新混合，直至达标。
9.根据权利要求8所述的一种提高金属增材制造粉末利用率的系统，其特征在于，所述系统还包括放置单元、打印单元和收集单元；其中，
放置单元，用于选择粒径合适的金属粉末作为原料，并放置到电子束3D打印机设备粉仓中；
打印单元，用于选择与所述原料相同的金属粉末作为打印材料，设置打印工艺参数进行3D打印；
收集单元，用于打印完成后，清理已烧结的金属粉末，并收集使用过的旧粉末。
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