本发明属于3D打印机原料技术领域，具体涉及一种3D打印粉制备设备及其使用方法。
背景技术：
3D打印技术目前已成为全球最关注的新兴技术之一。这种新型的生产方式与其他数字化生产模式一起将推动第三次工业革命的实现。制约3D打印技术迅速发展的其中一大瓶颈是打印材料，特别是金属打印材料。研发和生产性能更好和通用性更强的金属材料是提升3D打印技术的关键。在高性能金属构件直接采用3D打印技术制造方面，需要粒径细、粒径均匀、高球形度、低氧含量的各类金属粉末。目前高端的金属粉末主要依赖进口。而国外厂商常将原材料与设备捆绑高价销量，极大地制约了我国的金属3D打印技术的发展。
目前，3D打印粉末材料的方法主要有机械研磨法、自蔓延高温合成法、雾化法、还原法、电解法、旋转电极法、化学气相沉积法等，而气雾化法生产的金属粉末具有球形度好，粒度分布可控，生产效率高，成本低等特点，而成为3D打印用金属粉末主要的生产方法。但气雾化法成本高，能耗大，一些关键零部件(如喷头)等还长期被国外垄断。水雾法制备的材料则纯度不够。因此，目前国内没有成熟的3D打印所需球形金属粉体制备设备及粉体耗材。
市场上急需一种3D打印用金属粉末制造设备，以满足3D打印对金属粉末的高质量要求。
技术实现要素：
爆炸丝法是在一定的介质或者真空中，对丝导体施加高电压瞬间产生强大的脉冲电流，使丝导体短时间内熔化、气化、膨胀，发生爆炸。其爆炸产物在爆炸冲击波的作用下高速向四周溅射，冷却后形成纳米粉末。电爆炸金属丝作为金属粉体制备方法之一，具有设备体积小，能耗低，产量大的特点。在制备3D打印粉方面，具有较好的应用前景。
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种3D打印粉制备设备，制备出的金属粉末球形度高、成分均匀、氧含量低，金属粉末优良的分散性和输送性适于3D打印机用。同时，本发明还提供了3D打印粉制备设备的使用方法。
本发明是这样实现的：
一种3D打印粉制备设备，包括进料机构、送风机构、风管、高压发生装置、反应腔、3D打印粉收集器和温控系统，
所述反应腔为直立式类平形四边形结构，所述反应腔包括左侧腔壁、右侧腔壁、顶部腔壁和底部腔壁，所述左侧腔壁和所述右侧腔壁对向竖直设置，所述顶部腔壁和所述底部腔壁对向斜向设置；
所述进料机构与所述左侧腔壁连通设置；
所述高压发生装置穿过所述顶部腔壁伸入所述反应腔内部；
所述送风机构通过所述风管与所述反应腔连通设置；
所述3D打印粉收集器与所述右侧腔壁连通设置；
所述温控系统位于所述反应腔的上部，用于调节冷却风的温度。
优选地，还包括残渣收集器，所述残渣收集器位于所述底部腔壁和所述右侧腔壁交叉的位置，便于残渣和大颗粒金属粉落入所述残渣收集器。
优选地，所述送风机构包括送风口，所述送风口位于所述反应腔内部，所述高压发生装置包括电极，所述送风口与所述电极正对设置，用于冷却电极处产生的金属液滴。
优选地，还包括旋风收集器，所述旋风收集器位于所述右侧腔壁的右侧，所述旋风收集器通过所述风管与所述3D打印粉收集器连通。
优选地，所述温控系统包括水冷却器，所述水冷却器用于与冷却气体进行热交换以控制冷却气体的温度。
优选地，所述反应腔包括内衬，所述内衬材料为聚四氟乙烯。
根据本发明的另一方面，一种使用上述3D打印粉制备设备的方法，包括以下步骤：
S1：进料：金属丝在进料机构中拉直进料，
S2：气雾化：金属丝在反应腔中高压发生器产生的高电压下气雾化，形成微小的液滴，
S3：冷凝及3D打印粉收集：液滴遇到反应腔上方送风机构吹来的冷却气体后冷凝形成微米级球形金属颗粒，残渣及大颗粒掉入反应腔底部的残渣收集器中，球形金属颗粒往下随气流进入3D打印粉收集器进行收集，
S4：纳米粉收集：携带部分纳米级粉的冷却气流从3D打印粉收集器中出来后，进入旋风收集器中，进行纳米级粉的收集，
S5：冷却：气体从旋风收集器中出来，进入温控系统中进行温度调节，
S6：送风：冷却后的气体经送风机构重新进入反应腔，进行下次循环。
优选地，所述3D打印粉的粒径为10-50um。
优选地，所述温控系统调节的工作温度至少为15度。
优选地，所述高压发生器的工作电压小于25KV。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明电气雾化金属丝，能量利用率大，成本低；
(2)使用惰性气体保护金属，粉末免受氧化，能够避免制造过程中金属粉末被氧化等缺陷的出现；
(3)本发明中，反应腔侧壁斜向结构的设置，便利了残渣的收集，同时也导向携带金属粉的冷却气体进入3D打印粉收集器进行粉料的收集；
(4)反应腔内衬采用聚四氟乙烯材料，避免了在高压下金属材质的反应腔壁被气化形成金属蒸汽，造成对金属纳米粉的污染；
(5)该方法制备的球形金属粉体，粒径处于10-50um，具有良好的流动性和高纯度，适合作为金属3D打印耗材。
附图说明
图1是3D打印粉制备设备示意图。
附图中的标记如下：
1-进料机构，2-送风机构，21-送风口，22-风机，3-温控系统，4-高压发生装置，41-电极，5-反应腔，51-左侧腔壁，52-右侧腔壁，53-顶部腔壁，54-底部腔壁，6-风管，7-旋风收集器，71-第二进气口，72-纳米粉集料箱，73-第二出风口，8-3D打印粉收集器，81-第一进气口，82-第一出风口，9-残渣收集器。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的部件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
对于本领域的技术人员而言，应当清楚本申请中提及的“前、后、上、下、左、右”等方向用词仅是为了能够更直观地解释本发明，因此在文中的上述的方向用词并不构成对本发明的保护范围的限制。
如图1所示，一种3D打印粉制备设备，包括进料机构1、送风机构2、风管6、高压发生装置4、反应腔5、3D打印粉收集器8、温控系统3、旋风收集器7和残渣收集器9。进料机构1与左侧腔壁51连通设置。高压发生装置4穿过顶部腔壁53伸入反应腔5内部。送风机构2通过风管6与反应腔5连通设置。3D打印粉收集器8与右侧腔壁52连通设置。温控系统3位于反应腔5的上部，用于调节冷却风的温度。残渣收集器9位于底部腔壁54和右侧腔壁52交叉的位置，便于残渣和大颗粒金属粉落入残渣收集器9。旋风收集器7位于右侧腔壁52的右侧，旋风收集器7通过风管6与3D打印粉收集器8连通。通过本发明的3D打印粉制备设备电气雾化金属丝，能量利用率大，成本低。同时，使用惰性气体保护金属，粉末免受氧化，能够避免制造过程中金属粉末被氧化等缺陷的出现
如图1所示，进料机构1与反应腔5的左侧腔壁相连通，进料机构将金属丝或金属片送入反应腔5中电极41附近，通过高压发生装置4实现电极41放电，使金属丝或金属片被高压电气雾化，形成金属液滴。进料机构1可以为电爆炸领域中常用的装置。
如图1所示，送风机构2包括送风口21和风机22。优选送风机构2位于进料机构1和高压发生装置中间位置，以减少设备占用的空间。也可将送风机构设置在其他位置，通过加长风管6等实现对反应腔5的送风。风机22通过风管6将风经送风口21送入反应腔5中，实现对雾化金属液滴的冷却和携带风送及收集。优选送风口21位于反应腔5内部，送风口21与电极41正对设置，用于冷却电极处产生的金属液滴。
如图1所示，风管6连通设置在整个制备设备中，送风机构经风管6实现送风，再将携带金属粉的气流依次送经3D打印粉收集器8和旋风收集器7，固气分离后的气体经风管送至温控系统3进行温度调节，再经送风机构2进行新一循环的送风。
如图1所示，高压发生装置4包括电极41。高压发生装置4穿过顶部腔壁53，使电极41位于反应腔5中，便于对进料机构送进来的金属丝或金属片进行电气雾化。
如图1所示，反应腔5为直立式类平形四边形结构。反应腔5包括左侧腔壁51、右侧腔壁52、顶部腔壁53和底部腔壁54。左侧腔壁51和右侧腔壁52对向竖直设置，顶部腔壁53和底部腔壁54对向斜向设置。反应腔侧壁斜向结构的设置，便利了残渣的收集，同时也导向携带金属粉的冷却气体进入3D打印粉收集器进行粉料的收集。优选反应腔5包括内衬，内衬材料为聚四氟乙烯，或者与聚四氟乙烯具有类似性质的材料，避免了在高压下金属材质的反应腔壁被气化形成金属蒸汽，造成对金属纳米粉的污染。
如图1所示，3D打印粉收集器8包括第一进气口81、第一出风口82和收集箱(未示图)。第一进气口81通过右侧腔壁52与反应腔5相连通，便于反应腔中携带金属粉的气体流经第一进气口81进入3D打印粉收集器8的收集箱中。第一出风口82与风管6相连通。经收集箱收集3D打印粉后，携带纳米级金属粉的气流经第一出风口82，流入风管6中，并经风管6进入旋风收集器7中。
如图1所示，温控系统3包括水冷却器(未示图)。水冷却器用于与冷却气体进行热交换以控制冷却气体的温度。经旋风收集器固气分离后的气体，进入温控系统，通过水冷却器与气体进行热交换，以实现对冷却气体温度的调节。调节温度后的气体则再次进入风管6中。当然，温控系统中的冷却器也可以为其他液体和类型的冷却器，以及能实现温度调节的其他装置，均符合本发明的要求。
如图1所示，旋风收集器7包括第二进气口71、纳米粉集料箱72和第二出风口73。旋风收集器7位于右侧腔壁52的右侧，旋风收集器7通过风管6与3D打印粉收集器8连通。第二进气口71与风管6相连，便于从3D打印粉收集器来的气流进入旋风收集器7中。气流经纳米粉集料箱72收集纳米粉后，固气分离后的气体再经第二出风口73重新进入风管6中。并经风管6进入温控系统4中进行温度调节。
如图1所示，残渣收集器9包括进料口(未示图)。残渣收集器9位于底部腔壁54和右侧腔壁52交叉的位置，便于残渣和大颗粒金属粉通过进料口落入残渣收集器，实现了对残渣的回收，也避免了残渣对反应腔的影响。
根据本发明的另一方面，一种使用上述3D打印粉制备设备的方法，包括以下步骤：
S1：进料：金属丝在进料机构中拉直进料，
S2：气雾化：金属丝在反应腔中高压发生器产生的高电压下气雾化，形成微小的液滴，
S3：冷凝及3D打印粉收集：液滴遇到反应腔上方送风机构吹来的冷却气体后冷凝形成微米级球形金属颗粒，高压发生器的工作电压小于25KV；残渣及大颗粒掉入反应腔底部的残渣收集器中，球形金属颗粒往下随气流进入3D打印粉收集器进行收集，3D打印粉的粒径为10-50um，
S4：纳米粉收集：携带部分纳米级粉的冷却气流从3D打印粉收集器中出来后，进入旋风收集器中，进行纳米级粉的收集，
S5：冷却：气体从旋风收集器中出来，进入温控系统中进行温度调节，温控系统调节的工作温度至少为15度，
S6：送风：冷却后的气体经送风机构重新进入反应腔，进行下次循环。
使用时，金属丝经送丝机构输送到高压发生器后，气雾化(以雾化为主)形成微小的液滴，小液滴被从上吹来的冷风冷却形成微米级球形颗粒，然颗粒往下随气流进入3D打印粉收集器，而残渣则进入残渣收集器；经3D打印粉收集器收集后，冷却风中含有部分纳米级粉末(金属丝气化形成)随气流进入旋风收集器，进入纳米材料集料口中。冷却风则进入温控系统中进行冷却后通过管道进入反应腔形成下一次循环。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明电气雾化金属丝，能量利用率大，成本低；
(2)使用惰性气体保护金属，粉末免受氧化，能够避免制造过程中金属粉末被氧化等缺陷的出现；
(3)本发明中，反应腔侧壁斜向结构的设置，便利了残渣的收集，同时也导向携带金属粉的冷却气体进入3D打印粉收集器进行粉料的收集；
(4)反应腔内衬采用聚四氟乙烯材料，避免了在高压下金属材质的反应腔壁被气化形成金属蒸汽，造成对金属纳米粉的污染；
(5)该方法制备的球形金属粉体，粒径处于10-50um，具有良好的流动性和高纯度，适合作为金属3D打印耗材。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。