一种粉体、颗粒材料的微量给料器的制作方法

本发明涉及粉体、颗粒的灌装设备，更具体地说，涉及一种粉体、颗粒材料的微量给料器。

背景技术：

全球制造业正致力于通过不断开发和引入基于各类材料的新型产品来满足社会对物质生活品质的不断升级。其中，粉体与颗粒材料作为原材料大量应用于各个领域，如医药、化工、生物材料、食品、冶金、陶瓷等。然而在本技术领域，对粉体与颗粒材料相关的操作技术与工艺远不如流体技术那么成熟，这是由不同材料颗粒流动行为的复杂性造成的。在高成本原材料行业中控制粉体与颗粒材料在运输、分配、给料环节的浪费和提高精确度和操作效率是整个行业面临的一大挑战。在以粉体颗粒为原材料的3D打印技术中，传统方法需要在粉床上逐层将材料选择性成型，这中间将大量浪费原材料。这并不适用原材料成本高的行业。为了在研发与生产中将粉体材料的浪费控制到最小化以降低整个过程的成本，依需粉体沉积打印可以控制粉体在打印平面内的沉积量与沉积路径，在此基础上逐层成型。应用该技术需要对粉体精确地控制粉体的出料速率。

目前，针对粉体与颗粒材料的给料控制常见的是采用气动技术和体积法。专利US4350049在1982年介绍了将气动技术与体积法结合的颗粒运输与分配给料方法。其中粉体的定量由预先设计好的体积定量槽完成，精确度受粉体颗粒堆积密度的实时变化所影响；如需更改分配物料量需要重新设计更换定量设备，这无疑增大了时间与经济成本。另外，该设备设计较为复杂，对粉体流动的内部结构有较高要求，否则很容易出现粉体堵塞，导致低剂量输出或过程停滞。

根据最新研究发现，由振动激励并控制的粉体给料技术对粉体运送并微量化分配给料的操作工艺提供了新的方法以借鉴。使用毛细管或微型漏斗实现微量运送和分配给料的过程中，对粉体流动通道施加由脉冲信号控制的振动有助于破坏高粘度粉体的结块和拱桥效应，引发粉体自由流动。

专利GB2472817公开了如图1a、1b、1c三种不同结构的输送管，并给出了相应参数：上部垂直部分的内径D(不计管壁厚度)在水平方向上最小为5毫米；出口孔径d在水平方向上最大为200微米至3毫米，优选地，最大为2毫米，最佳地，最大为1毫米；下部锥体斜面与垂直方向的角度α在5度到45度。

但是，由于上述专利及公开文献对于粉体与颗粒材料给料控制技术仅处于一个初级的研究阶段，其公开的设计参数也仅是一个大概、宽泛的范围，仅适于实验室试验，且未能够进一步深入的研究。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种粉体、颗粒材料的微量给料器，基于振动激励控制的自动给料原理，能够应用于粉体与颗粒材料微量给料，特别适用于流动性不佳的颗粒及高粘度粉末，通过微量化给料操作实现平面内选择性沉积，如基于依需粉体沉积的3D打印。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

该粉体、颗粒材料的微量给料器，包括物料储给料管、机械振动源，物料储给料管包括漏斗形入口流道、圆直管形流道和圆锥形出口流道，漏斗形入口流道下端连通于圆直管形流道上端，且漏斗形入口流道下端内径与圆直管形流道内径相同，圆直管形流道下端连通于圆锥形出口流道上端，且圆锥形出口流道上端内径与圆直管形流道内径相同且大于圆锥形出口流道下端的出口内径，所述的漏斗形入口流道上端的入口内径设计为15～45毫米，半锥角设计为10～15°；圆直管形流道内径设计为10～30毫米；圆锥形出口流道下端的出口内径设计为1～10毫米，半锥角设计为6～20°；圆直管形流道和圆锥形出口流道的总高度大于圆直管形流道高度20毫米以上，所述的机械振动源安装于圆锥形出口流道上。

所述的圆直管形流道下端与圆锥形出口流道上端连通处的内壁表面为连续的一弧面。

所述的弧面的曲率半径大于1.5倍的圆直管形流道内径。

所述的物料储给料管采用质量轻、低振动阻尼的材质制作。

所述的物料储给料管采用硼硅玻璃制作。

所述的机械振动源通过振动源固定部件固设于圆锥形出口流道的外壁上，振动源固定部件包括固定套及机械振动源固定夹，固定套由分别与圆直管形流道、圆锥形出口流道相匹配的圆直管形套和圆锥形套连接构成，并套设于圆直管形流道、圆锥形出口流道上，机械振动源固定夹具有三个，呈间隔120°的圆周排列连接在圆锥形套的外壁上。

所述的机械振动源为振动马达，数量与机械振动源固定夹具相同，并分别安装在机械振动源固定夹具上。

在上述技术方案中，本发明的粉体、颗粒材料的微量给料器具有以下几个优点：

1、优化了整个物料储给料管中的关键参数及具体的参数范围，能够广泛适用于每秒数十毫克到每秒数十克，由直径为数十微米到若干毫米颗粒组成的物料给料，特别适用于依需定量与精确控制的粉料分配与平面内选择性沉积。

2、有助于在复杂的粉体材料操作环节提高粉料用量精度，减少浪费。

3、提出了对流道材质的选用要求，从而使得流道对振动传播效率高；透明材质的硼硅玻璃流道可以方便通过表面体积刻度读取流道内的粉料余量。

附图说明

图1a～图1c分别是现有技术的三种输送管的结构示意图；

图2是本发明的粉体、颗粒材料的微量给料器的分解示意图；

图3是本发明的物料储给料管与振动源固定部件的组装示意图；

图4是本发明的物料储给料管的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明的粉体、颗粒材料的微量给料器如图2～图4所示，主要包括物料储给料管1、机械振动源2，物料储给料管1包括从上至下依次连接的漏斗形入口流道11、圆直管形流道12和圆锥形出口流道13，漏斗形入口流道11下端连通于圆直管形流道12上端，且漏斗形入口流道11下端内径与圆直管形流道12内径相同，圆直管形流道12下端连通于圆锥形出口流道13上端，且圆锥形出口流道13上端内径与圆直管形流道12内径相同且大于圆锥形出口流道13下端的出口内径，本发明通过深入的研究以及多次反复计算、试验获得，所述的漏斗形入口流道11上端的入口内径D’设计为15～45毫米，半锥角α’设计为10～15°；圆直管形流道12内径D设计为10～30毫米；圆锥形出口流道13下端的出口内径D_o设计为1～10毫米，半锥角α设计为6～20°；圆直管形流道12和圆锥形出口流道13的总高度H大于圆直管形流道12高度h二十毫米以上，可有效适用于颗粒粒径在10微米到3毫米范围内的细粉、粉末、颗粒材料的运输与给料。所述的机械振动源2通过振动源固定部件3固设于圆锥形出口流道13的外壁上。

作为一个实施例，所述的圆直管形流道12下端与圆锥形流道2上端连通处的内壁表面设计为连续的一弧面，该弧面的曲率半径R越大，粉体流动阻力越小，质量流动越稳定，因此通过实验最终确定，将该弧面的曲率半径R设计为大于1.5倍的圆直管形流道12内径D。通过上述弧面过渡，能够避免物料在此处的聚集现象，保证物料的流速的均一性，有助于精确给料控制。

所述灌装流道物料储给料管1的材质选用需遵循以下几点：质量轻、低振动阻尼。

作为一个实施例，所述的物料储给料管1可采用硼硅玻璃等材质制作。

作为一个实施例，所述的物料储给料管1采用硼硅玻璃制作时，物料储给料管1外表面设有如精度为1毫升的体积刻度。

所述的振动源固定部件3包括固定套及机械振动源固定夹31，固定套由分别与圆直管形流道12、圆锥形出口流道13相匹配的圆直管形套32和圆锥形套33连接构成，并套设于圆直管形流道12、圆锥形出口流道13上，而机械振动源固定夹31具有三个，呈间隔120°的圆周排列连接在圆锥形套33的外壁上。所述的机械振动源2可采用振动马达，数量与机械振动源固定夹31具相同，并分别安装在机械振动源固定夹31具上，通过螺栓夹紧固定，通过控制振动马达的振动和停止，以实现控制灌装喷头的灌装(物料落下)和停灌。

综上所述，采用本发明的粉体、颗粒材料的微量给料器与专利GB2472817所公开的输送管相比，具有以下多个优点：

1、进一步的深入研究，改进了流道设计，增加了圆直管形流道12与圆锥形流道的内径、高度、半锥角，连通处弧面的半径等参数，使得整个流道结构参数更为优化，并通过多次反复试验和计算，重新设计了各参数更为具体、合适的数值范围，能够广泛适用于每秒数十毫克到每秒数十克，由直径为数十微米到若干毫米颗粒组成的物料给料，特别适用于依需定量与精确控制的粉料分配与平面内选择性沉积，如基于依需粉体沉积的3D打印。

2、有助于在复杂的粉体材料操作环节提高粉料用量精度，减少浪费。

3、提出了对流道材质的选用要求，从而使得流道对振动传播效率高，并使得流道能够更有利于微量灌装的精确、有效控制，透明材质的硼硅玻璃流道可以方便通过表面体积刻度读取流道内的粉料余量。

4、可在玻璃流道外表面标记有相应的体积刻度，方便读取流道内的粉料余量。

5、设计了一种三个机械振动源2与物料储给料管1的组装结构，使微量灌装设计变为现实。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。