超声振动雾化制备金属粉末的装置、方法以及3D打印系统与流程

本发明涉及金属3d打印技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明的具体方案如下：

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”。

本发明的有益效果：

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是本发明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是本发明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是本发明金属丝结构示意图；

图4是本发明金属丝后部弯曲换向示意图；

图5是本发明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：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一方面，本发明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、送丝系统以及热源；

其中，超声波振动系统包括超声波发生器、换能器2等，用以产生超声波并换能；超声波变幅装置采用变幅杆3；锁紧系统包括锁紧器5和施力器6。

变幅杆3上设置有锁紧器5，锁紧器5成为变幅杆3的一部分。施力器6施加外力在锁紧器5上，可使其内径发生变化。

金属丝7前部被锁紧器5锁紧、后部弯曲变向，通过这种方式锁定一段金属丝7作为变幅杆3的负载，或者成为变幅杆3的一部分。金属丝7后部弯曲变向的位置优先为节点处。

金属丝7的直径为d0，金属丝7的长度可以是无限长，由供丝系统连续供应，供丝系统可以设置适当的矫直装置。变幅杆3为筒状，或者至少在前端部是空心的。锁紧器5有内径为d1(d1≤d0)的空腔。

金属丝7放置在锁紧器5和变幅杆3的空腔内，锁紧器5提供锁紧压力将金属丝7锁紧。锁紧器5的锁紧压力可以是锁紧器5自身的弹性应力，也可以是电磁力或机械力，例如由设置在其上的磁体(永磁体或电磁体)提供。锁紧压力也可以由施力器6提供，例如把金属丝7锁紧的力如果是电磁力的时候，该力也可以由设在施力器6上的电磁场提供。

施力器6施加一个与锁紧压力方向相反的力在变幅杆3上，可使其脱离与金属丝7的接触，也即空腔前端内径由d1变为d2(d2>d0>d1)。

施力器6的压紧力和松开力由电磁力或弹簧弹力提供，例如由设置在其上的磁体(永磁体或电磁体)提供吸力和斥力。施力器6的支撑部分优先的固定在法兰4上。

根据金属丝7锁紧方式的不同，超声振动雾化制备金属粉末的装置可以分为夹头锁紧式和组合变幅杆3锁紧式两种结构形式。

夹头锁紧式结构如图1所示，锁紧器5为夹头的形式，固定在变幅杆3的前端。

在一些实施方式中，也可以将变幅杆3本身作为夹头。

夹头可以是应力锁紧式，通过施力器6施加的外力锁紧，或者也可以利用磁致伸缩或电致伸缩材料产生锁紧力，也可靠弹簧等机械力产生锁紧力。

施力器6在外力(如电磁力等)作用下发生位移，压紧在变幅杆3端部的夹头上，使其发生弹性变形，内径变为d2(d1<d2)，松开金属丝7(d1<d0<d2)。

组合变幅杆3锁紧式结构如图2所示，变幅杆3以及与其固定的部分是由两个以上组合的，组合的变幅杆3形成中心空腔，空腔前端的内径为d1(d1<d0)。变幅杆3上设置有锁紧器5，靠锁紧力将变幅杆3组合成为一个整体。

锁紧器5优先设置在与变幅杆3节点相对应的位置，例如法兰4所在位置。锁紧器5的锁紧压力可以是电磁力或机械力，例如由设置在其上的磁体(永磁体或电磁体)提供。

金属丝7置于空腔内，变幅杆3的前端作为夹持头，夹住并锁紧金属丝7。施力器6施加外力在锁紧器5上，将变幅杆3拉开分离，与金属丝7脱离接触。

在一些实施方式中，在变幅杆3前端设置冷却器，变幅杆3温度过高时，冷却器可压紧在变幅杆3前端，对变幅杆3进行降温。

在另外一些实施方式中，冷却器设置在施力器6上，施力器6与变幅杆3工作端接触时对变幅杆3起到冷却作用。上述的冷却器可通过循环冷却水的方式进行降温。

送丝系统包含至少一组送丝轮，当金属丝7被锁紧器5松开时，送丝轮夹持金属丝7并推送一段距离，当金属丝7被夹头锁紧时，送丝轮松开并脱离金属丝7。

送丝轮可设在空腔外部，也可设在空腔内部。当设在空腔内部时，优先设置在与变幅杆3节点相对应的位置，例如法兰4所在位置。送丝系统的动力部分可设在空腔外部。

金属丝7在空腔内(d0<d1)，空腔可以是直通的，如图1所示，也可以前端直通，后部倾斜，如图2所示。

金属丝7前部被锁紧器5锁紧，金属丝7离开空腔的后部通过弹性变形的方式弯曲一定角度，以保持金属丝7纵向振动的一段长度为一定值，也即变幅杆3的负载是一定的。

特别的，如果制粉的原料是难以弹性变形的金属，如直径较大的金属棒，则可以采用分段连接的方式保持负载段的长度一定。

金属丝7可以是光杆，也可以加工出类似螺纹状的凹槽(滾压、轧制)以增强与锁紧器5或变幅杆3之间的紧固程度，此时锁紧器5或变幅杆3内腔与金属丝7接触部位也设有与之相匹配的凸起，如图3所示。

由超声波振动系统的超声波发生器、换能器2、变幅杆3产生的超声波传递到金属丝7顶端，形成纵向振幅。

金属丝7顶端可被热源加热熔化一薄层，再经超声雾化喷出成粉，沉积为粉末层。

作为一种实施方式，热源可以是高能束(如电子束、激光、等离子等)或其它热源(例如高频感应线圈)中的一种或几种的组合。

需要说明的是，本发明中的超声波振动系统包括的超声波发生器、换能器2以及其他组件是本领域技术人员所熟知的技术特征；不必再做过多介绍。

超声振动雾化制备金属粉末的装置还应包括必要的线路、支架、底座等部件，在此不再赘述。

另外，超声振动雾化制备金属粉末的装置如果单独用做制备金属粉末时，还应包括常规雾化制粉所必需的其它设施，如雾化室、粉末筛分和收集包装系统、真空系统、气体调节和控制系统等，在此不再赘述。

另一方面，本发明公开了超声振动雾化制备金属粉末的装置的工作原理，包括：

1)金属丝7在锁紧器5的锁紧力作用下被锁紧在变幅杆3上，并伸出一段。

2)调整高能束的能量大小和扫描路径。高能束辐照在金属丝7端头，加热形成液态金属膜。

3)超声振动使液态金属雾化喷出成粉。

4)超声波停止振动，施力器6施加松弛力在锁紧器5上，使变幅杆3或锁紧器5与金属丝7脱离接触。

5)送丝器8将金属丝7向前推送一定长度，以补充雾化损失的部分，保持伸出一段的长度不变。

6)施力器6卸掉松弛力，锁紧器5的锁紧力使金属丝7被锁紧。

7)粉末的形貌、粒度等性能可以通过超声波的频率以及熔化金属层的厚度等进行调整。而超声波的频率通过改变超声波发生器的频率以及改变金属丝7负载段的长度进行调整。熔化金属层的厚度则通过改变高能束的能量大小、辐照时间等进行调整。

第三方面，本发明公开了一种超声雾化制粉辅助3d打印系统，如图5所示，包括：超声雾化制粉子系统p、高能束子系统b、工作台子系统w、控制系统c以及其它的辅助子系统。

其中，超声雾化制粉子系统p：包括了前述的超声振动雾化制备金属粉末的装置，还包括送丝机构、位置调整机构等等。

高能束子系统b：包括高能束(优先的为电子束)的产生及其能量和轨迹以及位置的调控机构。高能束的产生采用超声振动雾化制备金属粉末的装置热源，产生的高能束b1用于熔化金属丝7、b2用于熔化金属粉末。

工作台w：包括工作台位置调控(三维平移、旋转、倾斜)机构、粉末容器w1、粉末平铺、辅助加热和冷却等机构。

其它辅助子系统：包括监测机构m、气氛调节和控制机构a、粉末收集、隔离、输运机构以及挡板等。

中央控制子系统c：设定参数，与监测的数据进行比对、计算并向各子系统发出指令。

超声雾化制粉辅助3d打印系统的工作原理如下：

(1)雾化制粉的原料为金属丝7(或棒，下面统称为丝)，其成分与3d打印零件的成分接近，其组成元素中在重熔过程容易烧损的应适当增补一定的量。

(2)需要时，超声雾化制粉子系统p中的金属丝7前端被高能b1辐照，加热熔化形成液膜并通过超声雾化成为金属粉末，然后沉积到工作台子系统w的粉末容器w1内，形成一定厚度的粉末层。可以设置适当的挡板，防止粉末沉积到容器外部，沉积后将挡板移出。可通过旋转、平移、倾斜等方式调整超声雾化制粉子系统p及工作台子系统w的角度、距离等参数，使粉末层厚度均匀。可通过调整金属丝7与粉末容器w1的距离、高能束b1辐照角度和能量等参数，改变沉积粉末的温度、形状、粒度，特别是用来增加粉末间的粘结力，防止“吹粉”。

(3)金属丝7向前端进给一段距离以补充雾化成粉而损失的那部分，保持负载不变或变幅杆3的频率不变。需要改变粉末粒度、形状时，可调整金属丝7进给的距离以改变频率，同时调整超声波发生器频率以适应之。

(4)控制高能束b2以一定能量、角度和轨迹辐照粉末床特定位置，进行选区熔化，按设定的策略扫描后逐步成形。

(5)布粉装置将储粉器内的粉末平铺在粉末床上，形成新的粉末层。

(6)重复步骤(2)-(5)，最终得到金属零件，剩余粉末收集到储粉器。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。