本發(fā)明涉及粉末輸送裝置，屬于3D打印技術領域和粉末送料領域，特別是提供一種3D打印頭用固體粉末連續(xù)輸送裝置。

背景技術：

3D打印技術是根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光或紫外線或熱熔噴嘴等方式將光敏樹脂、塑料、金屬粉末、陶瓷粉末以及細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出三維實體。21世紀隨著激光燒結(jié)，特別是直接金屬激光燒結(jié)(Direct metal laser sintering，DMLS)技術的發(fā)展，金屬材料成為3D打印材料應用上的另一個重要突破。DMLS技術是通過使用高能量的激光束根據(jù)3D模型數(shù)據(jù)來局部熔化金屬基體，同時燒結(jié)固化粉末金屬材料并自動地層層堆疊，以生成致密的幾何形狀實體零件。直接金屬激光燒結(jié)DMLS技術逐漸發(fā)展為激光熔覆、激光噴涂、激光粉末成型和直接金屬沉積等技術，通過選擇不同的燒結(jié)材料和調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可以生成性能差異變化很大的零件，并能夠直接制造出幾何形狀任意復雜的零部件，應用領域十分廣泛。在制造分層厚度1mm以上的大型金屬件，DMLS技術通常采用同軸輸送金屬粉末，即激光燒結(jié)與粉末的輸送同時進行。金屬粉末的形貌和粒度對其流動性有顯著的影響，一般粒度較大、形狀規(guī)則的粉末有較好的流動性，有助于粉末的輸送；而粒度較小、不規(guī)則的粉末，由于團聚比較嚴重，因此粉末的輸送比較困難。如何穩(wěn)定持續(xù)輸送金屬粉末，是DMLS技術待解決的一個關鍵難點。

送粉器是儲存粉末和定量輸送粉末的一種裝置，送粉器可以大致分為以下幾類：自重式送粉器、螺旋式送粉器、刮板式送粉器、霧化式送粉器、毛細管式送粉器等。自重式送粉器的原理為：粉末料倉中的粉末依靠自身的重量穿過漏粉孔進入氣流管道中，在氣流管中載氣的帶動下輸送至送粉槍中，其送粉速率主要利用漏粉孔的尺寸大小和載氣流量的大小控制。螺旋式送粉器的基本機構包括：粉末料倉、螺旋桿、振動器、混合器等組成，其工作原理為：料倉中的粉末通過旋轉(zhuǎn)的螺旋桿螺紋向前推進，粉末輸送到混合器中依靠載氣將粉末送入送粉槍中；在粉末料倉底部的振動器防止粉末在料倉中架空，導致粉末輸送不均勻；其送粉速率主要利用螺旋桿的轉(zhuǎn)速控制。刮板式送粉器是依靠分盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)粉末的輸送，當料倉中的粉末經(jīng)過漏粉孔落入分盤時，分盤帶動粉末轉(zhuǎn)至刮板處，通過刮板將粉末送入料斗中。依靠控制粉盤的轉(zhuǎn)速，可以很方便的控制粉末的輸送速率，因此刮板式送粉器被廣泛應用于粉末的輸送。霧化式送粉器的工作原理為：通過噴嘴中噴出的高壓氣體使局部產(chǎn)生負壓，粉末在負壓作用下隨載氣進入出粉管道，伸入料倉內(nèi)的平衡管可以防止粉末架空，有利于粉末的穩(wěn)定輸送，其送粉速率主要是靠噴嘴出氣體的流量來控制。

目前還沒有專門針對DMLS技術的送粉裝置?，F(xiàn)有的送粉器中，依靠氣流載體送粉的裝置，如自重式送粉器、螺旋式送粉器和霧化式送粉器，氣流將粉末輸送至激光燒結(jié)熔池，易使熔池溫度迅速降低，并且粉末被氣流帶動得太過松散，激光燒結(jié)時體積收縮巨大，嚴重影響DMLS技術燒結(jié)過程及燒結(jié)產(chǎn)品性能。而刮板式送粉器是通過刮板一波波地將金屬粉末送入，流量不穩(wěn)定，降低DMLS技術產(chǎn)品的精度?，F(xiàn)有的送粉器過于依賴粉末的流動性，強調(diào)使用粒度范圍分布窄的球形粉末；對于粒度較小、形狀不規(guī)則的粉末，上述送粉器易堵塞、流量不穩(wěn)定。

在前期有關DMLS技術粉末輸送的大量研究基礎上，我們設計了一款固體粉末連續(xù)輸送裝置，在設備功能和結(jié)構設計和實際裝備試驗后，驗證了本送粉裝置對于流動性較差的微細粉末，能夠?qū)崿F(xiàn)粉末穩(wěn)定、連續(xù)、均勻的輸送，完成了本發(fā)明的設備研究。

檢索近30年文獻，尚未檢索到針對3D打印技術的依靠空心螺旋彈簧穩(wěn)定輸送粉末的送粉裝置專利及其相關報導。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種用于3D打印技術連續(xù)送粉裝置，針對DMLS技術穩(wěn)定持續(xù)送粉的需求以及粒度較小、形狀不規(guī)則的粉末輸送難題，設計研發(fā)一種空心螺旋送粉裝置。

一種3D打印頭用固體粉末連續(xù)輸送裝置，本發(fā)明針對3D打印過程中粉末輸送的需求設計，輸送裝置由調(diào)速電機、粉料撥叉、粉末儲料室、空心螺旋彈簧、軟管、輔助氣體進口和粉末進口構成。

粉末儲料室采用下方為漏斗型的結(jié)構，粉末儲料室中安裝有粉料撥叉，粉末儲料室側(cè)壁上部設有輔助氣體進口和粉末進口；輔助氣體進口可輸入加壓氣體，對于流動性極差的不規(guī)則微細粉末，加壓氣體通過空心螺旋彈簧的心部，在空心螺旋彈簧旋轉(zhuǎn)推力和加壓氣體載體作用下，通過機械和氣流共同推進的混合送粉方式實現(xiàn)混合送粉。粉末進口可不斷向粉末儲存室補充粉末。

所述的空心螺旋彈簧上部設計為有足夠長度的長軸，使其與粉料撥叉相接并穿過粉末儲料室上蓋與外部調(diào)速電機聯(lián)接，通過調(diào)速電機帶動粉料撥叉和空心螺旋彈簧旋轉(zhuǎn)，粉料撥叉可不斷的將粉末打散，促使粉末流入軟管內(nèi)，并防止空心螺旋彈簧旋轉(zhuǎn)時在內(nèi)部產(chǎn)生架空現(xiàn)象。

所述的空心螺旋彈簧采用柔軟材質(zhì)制成，可以在任何彎曲的管道內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，空心螺旋彈簧置于軟管內(nèi)，可與軟管任意彎曲，當調(diào)速電機帶動空心螺旋彈簧旋轉(zhuǎn)時，空心螺旋心部可通過輔助氣體，實現(xiàn)任何彎曲管道內(nèi)的送料且不受輸送距離限制，可隨著3D打印頭的移動變換任意形狀。對于流動性差的不規(guī)則微細粉末也可以實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的送料。

所述的輔助氣體進口能輸入加壓氣體，加壓氣體通過空心螺旋彈簧的心部，在空心螺旋彈簧旋轉(zhuǎn)推力和加壓氣體載體作用下，實現(xiàn)機械和氣流共同推進的混合送粉方式。

所述一種用于3D打印輸送原材料粉末的空心螺旋送粉器，其工作原理是，通過可調(diào)速步進電機來控制空心螺旋彈簧的轉(zhuǎn)速，當空心螺旋彈簧在軟管內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，由于彈簧的正螺旋推進作用，可以將軟管內(nèi)的粉末向前推進，從而達到粉末連續(xù)穩(wěn)定的輸送。其送粉速率可按照以下公式進行計算：

式中dW——送料速率，g/min；

K——粉末阻力系數(shù)；

D——軟管內(nèi)徑，cm；

h——彈簧螺距，cm；

d——粉末密度，g/cm³；

v——彈簧轉(zhuǎn)速，r/min。

所述的調(diào)速電機轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)可調(diào)，通過調(diào)整調(diào)速電機轉(zhuǎn)速可控制空心螺旋送粉器送粉速率；3D打印過程中，調(diào)速電機正轉(zhuǎn)時可持續(xù)穩(wěn)定輸送粉末，而在打印間隙，調(diào)速電機反轉(zhuǎn)時則將粉末限制在軟管內(nèi)，防止粉末由于自身重量任意散落。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明提供了一種3D打印頭用固體粉末連續(xù)輸送裝置，依靠空心螺旋彈簧正螺旋推進作用將軟管內(nèi)的粉末穩(wěn)定向前推進，不受粉末顆粒形貌和粒度的限制，從流動性差的不規(guī)則微細粉末到流動性好的球形粉末均可實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的輸送。

(2)本裝置采用的空心螺旋彈簧與軟管均非常柔軟，因此可以在任何彎曲的管道內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，并跟隨3D打印頭在打印空間內(nèi)移動，實現(xiàn)任何彎曲管道內(nèi)的送粉。

(3)本裝置可通過調(diào)整調(diào)速電機轉(zhuǎn)速來控制送粉速率，并可通過控制調(diào)速電機正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)粉末的輸送和停止，與3D打印過程精密匹配。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施例中3D打印頭用固體粉末連續(xù)輸送裝置的結(jié)構示意圖，包括：1-調(diào)速電機；2-粉料撥叉；3-粉末儲存室；4-空心螺旋彈簧；5-軟管；6-輔助氣進口；7-粉末進口。

具體實施方式

實施實例1：采用3D打印頭用固體粉末連續(xù)輸送裝置輸送-250目電解Cu粉

(1)送粉裝置參數(shù)

送粉裝置的粉末儲存室容量2L，軟管內(nèi)徑D為0.511cm，螺旋彈簧螺距h為0.338cm。

(2)Cu粉性能

電解Cu粉的平均粒徑為3.25μm，松裝密度為2.66g/cm³，Cu粉形貌為樹枝狀，流動性極差。

(3)Cu粉在不同彈簧轉(zhuǎn)速(電機轉(zhuǎn)速)時一定時間內(nèi)的送粉量，如下表所示。(測量七次結(jié)果取算數(shù)平均值)

不同彈簧轉(zhuǎn)速下Cu粉的送粉速率

流動性極差的Cu粉可通過空心螺旋送粉裝置持續(xù)穩(wěn)定地輸送；

通過橫向?qū)Ρ瓤芍珻u粉在相同彈簧轉(zhuǎn)速下單位時間內(nèi)的送粉量幾乎保持不變，可以保持單位時間內(nèi)的穩(wěn)定送粉；

而縱向?qū)Ρ葟椈赊D(zhuǎn)速的影響，隨著彈簧轉(zhuǎn)速的增大，Cu粉末的送粉速率呈線性增長，證明可通過調(diào)整空心螺旋彈簧(調(diào)速電機)轉(zhuǎn)速來控制空心螺旋送粉器送粉速率。

實施實例2：采用3D打印頭用固體粉末連續(xù)輸送裝置輸送還原W粉

(1)送粉裝置參數(shù)

送粉裝置的粉末儲存室容量3L，軟管內(nèi)徑D改為0.382cm，螺旋彈簧螺距h改為0.203cm。

(2)W粉末性能

采用H₂還原的W粉顆粒極細，平均粒徑為1.85μm，松裝密度為4.2g/cm³，不規(guī)則形狀。

(3)W粉在不同彈簧轉(zhuǎn)速(電機轉(zhuǎn)速)時一定時間內(nèi)的送粉量，如下表所示。(測量七次結(jié)果取算數(shù)平均值)

不同彈簧轉(zhuǎn)速下W粉的送粉速率

同樣地，極細的W粉可采用送粉裝置持續(xù)穩(wěn)定地輸送；

通過橫向?qū)Ρ瓤芍琖粉在相同彈簧轉(zhuǎn)速下單位時間內(nèi)的送粉量幾乎保持不變，可以保持單位時間內(nèi)的穩(wěn)定送粉；

而縱向?qū)Ρ葟椈赊D(zhuǎn)速的影響，隨著彈簧轉(zhuǎn)速的增大，W粉末的送粉速率呈線性增長，證明可通過調(diào)整空心螺旋彈簧(調(diào)速電機)轉(zhuǎn)速來控制空心螺旋送粉器送粉速率。

實施實例3：采用3D打印頭用固體粉末連續(xù)輸送裝置輸送球形Al₂O₃粉

(1)送粉裝置參數(shù)

空心螺旋送粉裝置的粉末儲存室容量2L，軟管內(nèi)徑D改為0.152cm，螺旋彈簧螺距h改為0.089cm。

(2)Al₂O₃粉性能

氧化鋁粉的平均粒徑為3.25μm，松裝密度為1.32g/cm³，為流動性良好的球形粉末

(3)Al₂O₃粉在不同彈簧轉(zhuǎn)速(電機轉(zhuǎn)速)時一定時間內(nèi)的送粉量，如下表所示。(測量七次結(jié)果取算數(shù)平均值)

不同彈簧轉(zhuǎn)速下Al2O3粉的送粉速率

對于流動性良好的Al₂O₃粉，當軟管內(nèi)徑和彈簧螺距減小時，單位時間內(nèi)輸送粉末的重量仍然穩(wěn)定；隨著空心螺旋彈簧轉(zhuǎn)速增大，Al₂O₃粉送粉速率呈線性增長，可通過調(diào)整空心螺旋彈簧(調(diào)速電機)轉(zhuǎn)速來控制空心螺旋送粉器送粉速率。