超声振动雾化制备金属粉末的装置、方法以及3D打印系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声振动雾化制备金属粉末的装置、方法以及3D打印系统，包括：超声波振动系统、超声波变幅装置、金属丝、锁紧系统、送丝系统以及热源；超声波振动系统与超声波变幅装置连接，所述超声波变幅装置为筒状或者至少在前端部设置空腔；所述金属丝通过送丝系统穿过所述空腔；在所述超声波变幅装置上设置锁紧系统；所述热源设置在所述空腔的出口位置处。本发明专利技术有益效果：以金属丝作为变幅杆负载进行超声振动雾化，可在真空条件下进行，不消耗惰性气体，避免粉末污染；可采用连续送丝的方式进行连续制粉。

Apparatus and method for preparing metal powder by ultrasonic vibration atomization and 3D printing system

The invention discloses a device, ultrasonic atomization metal powder and its preparation method and 3D printing system, including: the ultrasonic vibration system and ultrasonic horn device, metal wire, locking system, feeding system and heat source; ultrasonic vibration system and ultrasonic horn device connected to the ultrasonic amplitude device is cylindrical or at least in the front end of the cavity; the metal wire feeding system through the cavity through the locking system; setting in the ultrasonic amplitude device; the heat source is arranged in the outlet position of the cavity. The invention has the beneficial effects on the metal wires as the horn load ultrasonic atomization, can be carried out under vacuum conditions, no consumption of inert gas, avoid the powder pollution; the continuous wire feeding way continuous milling.

【技术实现步骤摘要】
超声振动雾化制备金属粉末的装置、方法以及3D打印系统
本专利技术涉及金属3D打印
，尤其涉及一种超声振动雾化制备金属粉末的装置、工作方法和以其为辅助的3d打印系统。
技术介绍
金属3D打印(也称增材制造、快速成形)技术主要有丝/粉熔化沉积法和粉末选区熔化法等。粉末选区熔化法一般是先用制粉装置制备球形粉末，然后利用3D打印设备进行布粉、选区熔化并逐步成形得到所需形状和性能的零件。制粉和成形过程一般是在不同装置中分别完成的，工艺和设备都非常复杂，成本居高不下。目前制备球形粉末的方法主要有惰性气体雾化、射频等离子雾化、旋转电极雾化等等，设备昂贵、效率低下，粉末容易氧化。超声雾化制备金属粉末，是利用超声波的空化作用与张力波效应，将金属熔体破碎成细小液滴，凝固后成为球形粉末，一般包括超声波气雾化和超声波振动雾化等方式。超声波气雾化是将超声波与气体雾化相结合，如瑞典的Kohlswa工艺，利用超声振动能量和气流冲击动能使液流破碎,可提高气雾化效率，但是气雾化需要消耗大量的惰性气体，而且容易形成空心颗粒和卫星颗粒。Ruthardt提出的超声波振动雾化是将金属熔体流至超声工具头表面上铺展成液膜,被超声波击碎、激起成液滴从振动面上飞出凝固成球形粉末。超声波振动雾化可以在真空环境下制备金属粉末，避免气体介质的影响，但受变幅杆和工具头材料的限制，这种方法对高熔点金属适应性不好，而且超声工具头与金属熔体相接触时产生空化腐蚀。王志刚、吴胜举等人将待制粉末的金属棒作为超声换能器的变幅杆负载,连接在变幅杆的输出端,并作为氩弧等离子体发生器的阳极,使其按照超声换能器工作频率振动,利用等离子体加热使金属棒顶端表面熔化，并在超声波作用下雾化成粉末。由于金属棒不断被消耗，频率发生变化，逐渐失去谐振、雾化的条件，不能实现连续雾化制粉。中国专利CN201310377275.2公开了一种球形金属粉末的超声雾化制备装置及制备方法，将金属棒料安装在变幅杆上，利用等离子弧轰击棒料使其熔化，然后通过超声振动使金属液雾化并凝固成球形粉末。这种装置仍然存在不能连续生产的问题，而且不能在真空下使用，粉末易受污染。3D打印成形使用的热源有激光、电子束等高能束，辐照到平铺的粉末床上使其发生选择熔化(或烧结)。电子束与激光相比,具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高且稳定等优点,但是电子束作用在球形粉末上极易出现“吹粉”(粉末溃散)。为解决这个问题，一般采用搭配非球形粉以及预热粉末等方法。通过底板对粉末进行预热，随扫描零件厚度增加，热阻增大。综上所述，现有的金属3D打印技术存在如下技术问题：(1)3D打印所需的球形金属粉末，现有制备方法需要消耗大量惰性气体，粉末在储运过程中容易氧化。(2)常规超声波振动雾化制粉，不适用于高熔点金属；以待制粉金属直接作为变幅杆的负载进行雾化制粉时，因为金属消耗导致频率变化，难以连续制粉。(3)常规3D打印技术是将制粉和打印分开进行，需要不同的装置，成本太高，粉末储运过程中容易氧化。另外3D打印对粉末形状和粒度有苛刻的要求，特别是电子束打印时“吹粉”问题难以解决。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述难题，提供了一种超声振动雾化制备金属粉末的装置、工作方法和以其为辅助的3d打印系统，可以在真空或其它气氛下连续雾化制备高熔点金属粉末，将制粉和3D打印集成到一台设备上，可共用热源、按需制粉，可控制粉末形状、粒度以及温度，增加粉末之间的粘结力，解决“吹粉”问题。为实现上述目的，本专利技术的具体方案如下：一种超声振动雾化制备金属粉末的装置，包括：超声波振动系统、超声波变幅装置、金属丝、锁紧系统、送丝系统以及热源；所述超声波振动系统与超声波变幅装置连接，所述超声波变幅装置为筒状或者至少在前端部设置空腔；所述金属丝通过送丝系统穿过所述空腔；在所述超声波变幅装置上设置锁紧系统；所述热源设置在所述空腔的出口位置处。进一步地，所述超声波变幅装置为单个变幅杆，所述变幅杆为筒状或者至少在前端部设置空腔。进一步地，所述锁紧系统包括锁紧器和施力器；所述锁紧器固定在变幅杆的前端，所述锁紧器在无外力作用时锁紧金属丝的前端；所述施力器固定在变幅杆上，能够产生压紧在锁紧器上使其发生弹性形变的力。进一步地，所述超声波变幅装置为至少两个变幅杆的组合，所述组合的变幅杆形成中心空腔。进一步地，所述锁紧系统包括锁紧器和施力器；所述锁紧器固定在变幅杆上，通过锁紧力将至少两个变幅杆组合为一个整体；所述施力器固定在变幅杆上，能够产生压紧在锁紧器上使其发生弹性形变的力。进一步地，在所述施力器上上设置冷却器，与变幅杆工作端接触时对变幅杆起到冷却作用。进一步地，所述金属丝前部被锁紧，金属丝离开空腔的后部通过弹性变形的方式弯曲设定角度，以保持金属丝纵向振动的一段长度为固定值。一种超声振动雾化制备金属粉末的装置的工作方法，包括以下步骤：(1)金属丝被锁紧器锁紧，并伸出变幅杆一段长度；(2)调整热源的能量大小以及扫描路径，热源作用在金属丝端头，加热形成液态金属膜；(3)超声波振动系统产生超声振动使液态金属膜雾化喷出成粉；(4)超声波停止振动，施力器施加松弛力在锁紧器上，使锁紧器与金属丝脱离接触；(5)送丝系统将金属丝向前推送一定长度，以保持伸出变幅杆一段的长度不变；(6)施力器卸掉松弛力，锁紧器的锁紧力使金属丝再次被锁紧。进一步地，通过改变超声波的频率以及熔化金属层的厚度改变金属粉末的形貌、粒度；所述超声波的频率通过改变超声波振动系统产生的超声波的频率以及改变金属丝负载段的长度进行调整；所述熔化金属层的厚度通过改变热源的能量大小和辐照时间进行调整。一种3D打印系统，包括：超声振动雾化制备金属粉末的装置以及工作台子系统；通过超声振动雾化制备金属粉末的装置制备金属粉末，所述制备的金属粉末沉积到工作台子系统；通过超声振动雾化制备金属粉末的装置的热源对沉积到工作台子系统的金属粉末进行选区熔化；通过位置调整机构调整金属丝与工作台子系统的距离、热源的辐照角度和能量参数，改变沉积金属粉末的温度、形状、粒度，防止“吹粉”。本专利技术的有益效果：1)以金属丝作为变幅杆负载进行超声振动雾化，可在真空条件下进行，不消耗惰性气体，避免粉末污染；可采用连续送丝的方式进行连续制粉。2)所制备的粉末粒度分布窄，细粉收得率高。还通过调整雾化参数获得不同形状、粒度的粉末。3)这种超声振动装置还可以用于焊接、熔炼等类似场合。4)将制粉和3D打印集成到一起，共用热源，按需制粉，减少粉末储运，降低对粉末的要求，简化设备结构。5)可通过调整雾化参数获得不同形状、粒度和温度的粉末，可利用粉末余热将粉末“固定”，解决“吹粉”问题。附图说明图1是本专利技术夹头锁紧式超声振动雾化制备金属粉末的装置结构示意图；图2是本专利技术组合变幅杆锁紧式超声振动雾化制备金属粉末的装置结构示意图；图3是本专利技术金属丝结构示意图；图4是本专利技术金属丝后部弯曲换向示意图；图5是本专利技术3D打印系统结构示意图；其中，2、换能器，3、变幅杆，4、法兰，5、锁紧器，6、施力器，7、金属丝，8、送丝器。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术进行详细说明：一方面，本专利技术公开了一种超声振动雾化制备金属粉末的装置，包括：超声波振动系统、超声波变幅装置、金属丝7、锁紧系统、送丝系统以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声振动雾化制备金属粉末的装置，其特征在于，包括：超声波振动系统、超声波变幅装置、金属丝、锁紧系统、送丝系统以及热源；所述超声波振动系统与超声波变幅装置连接，所述超声波变幅装置为筒状或者至少在前端部设置空腔；所述金属丝通过送丝系统穿过所述空腔；在所述超声波变幅装置上设置锁紧系统；所述热源设置在所述空腔的出口位置处。

【技术特征摘要】
1.一种超声振动雾化制备金属粉末的装置，其特征在于，包括：超声波振动系统、超声波变幅装置、金属丝、锁紧系统、送丝系统以及热源；所述超声波振动系统与超声波变幅装置连接，所述超声波变幅装置为筒状或者至少在前端部设置空腔；所述金属丝通过送丝系统穿过所述空腔；在所述超声波变幅装置上设置锁紧系统；所述热源设置在所述空腔的出口位置处。2.如权利要求1所述的一种超声振动雾化制备金属粉末的装置，其特征在于，所述超声波变幅装置为单个变幅杆，所述变幅杆为筒状或者至少在前端部设置空腔。3.如权利要求2所述的一种超声振动雾化制备金属粉末的装置，其特征在于，所述锁紧系统包括锁紧器和施力器；所述锁紧器固定在变幅杆的前端，所述锁紧器在无外力作用时锁紧金属丝的前端；所述施力器固定在变幅杆上，能够产生压紧在锁紧器上使其发生弹性形变的力。4.如权利要求1所述的一种超声振动雾化制备金属粉末的装置，其特征在于，所述超声波变幅装置为至少两个变幅杆的组合，所述组合的变幅杆形成中心空腔。5.如权利要求4所述的一种超声振动雾化制备金属粉末的装置，其特征在于，所述锁紧系统包括锁紧器和施力器；所述锁紧器固定在变幅杆上，通过锁紧力将至少两个变幅杆组合为一个整体；所述施力器固定在变幅杆上，能够产生压紧在锁紧器上使其发生弹性形变的力。6.如权利要求3或5所述的一种超声振动雾化制备金属粉末的装置，其特征在于，在所述施力器上上设置冷却器，与变幅杆工作端接触时对变幅杆起到冷却作用。7.如权利要求1所述的一种超声振动雾化制备金属粉末的装置，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢鲲，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37