本發(fā)明涉及金屬3d打印技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置、工作方法和以其為輔助的3d打印系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

金屬3d打印(也稱增材制造、快速成形)技術(shù)主要有絲/粉熔化沉積法和粉末選區(qū)熔化法等。粉末選區(qū)熔化法一般是先用制粉裝置制備球形粉末，然后利用3d打印設(shè)備進(jìn)行布粉、選區(qū)熔化并逐步成形得到所需形狀和性能的零件。制粉和成形過程一般是在不同裝置中分別完成的，工藝和設(shè)備都非常復(fù)雜，成本居高不下。

目前制備球形粉末的方法主要有惰性氣體霧化、射頻等離子霧化、旋轉(zhuǎn)電極霧化等等，設(shè)備昂貴、效率低下，粉末容易氧化。

超聲霧化制備金屬粉末，是利用超聲波的空化作用與張力波效應(yīng)，將金屬熔體破碎成細(xì)小液滴，凝固后成為球形粉末，一般包括超聲波氣霧化和超聲波振動(dòng)霧化等方式。超聲波氣霧化是將超聲波與氣體霧化相結(jié)合，如瑞典的kohlswa工藝，利用超聲振動(dòng)能量和氣流沖擊動(dòng)能使液流破碎,可提高氣霧化效率，但是氣霧化需要消耗大量的惰性氣體，而且容易形成空心顆粒和衛(wèi)星顆粒。ruthardt提出的超聲波振動(dòng)霧化是將金屬熔體流至超聲工具頭表面上鋪展成液膜,被超聲波擊碎、激起成液滴從振動(dòng)面上飛出凝固成球形粉末。超聲波振動(dòng)霧化可以在真空環(huán)境下制備金屬粉末，避免氣體介質(zhì)的影響，但受變幅桿和工具頭材料的限制，這種方法對(duì)高熔點(diǎn)金屬適應(yīng)性不好，而且超聲工具頭與金屬熔體相接觸時(shí)產(chǎn)生空化腐蝕。

王志剛、吳勝舉等人將待制粉末的金屬棒作為超聲換能器的變幅桿負(fù)載,連接在變幅桿的輸出端,并作為氬弧等離子體發(fā)生器的陽極,使其按照超聲換能器工作頻率振動(dòng),利用等離子體加熱使金屬棒頂端表面熔化，并在超聲波作用下霧化成粉末。由于金屬棒不斷被消耗，頻率發(fā)生變化，逐漸失去諧振、霧化的條件，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)霧化制粉。

中國專利cn201310377275.2公開了一種球形金屬粉末的超聲霧化制備裝置及制備方法，將金屬棒料安裝在變幅桿上，利用等離子弧轟擊棒料使其熔化，然后通過超聲振動(dòng)使金屬液霧化并凝固成球形粉末。這種裝置仍然存在不能連續(xù)生產(chǎn)的問題，而且不能在真空下使用，粉末易受污染。

3d打印成形使用的熱源有激光、電子束等高能束，輻照到平鋪的粉末床上使其發(fā)生選擇熔化(或燒結(jié))。電子束與激光相比,具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高且穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但是電子束作用在球形粉末上極易出現(xiàn)“吹粉”(粉末潰散)。為解決這個(gè)問題，一般采用搭配非球形粉以及預(yù)熱粉末等方法。通過底板對(duì)粉末進(jìn)行預(yù)熱，隨掃描零件厚度增加，熱阻增大。

綜上所述，現(xiàn)有的金屬3d打印技術(shù)存在如下技術(shù)問題：

(1)3d打印所需的球形金屬粉末，現(xiàn)有制備方法需要消耗大量惰性氣體，粉末在儲(chǔ)運(yùn)過程中容易氧化。

(2)常規(guī)超聲波振動(dòng)霧化制粉，不適用于高熔點(diǎn)金屬；以待制粉金屬直接作為變幅桿的負(fù)載進(jìn)行霧化制粉時(shí)，因?yàn)榻饘傧膶?dǎo)致頻率變化，難以連續(xù)制粉。

(3)常規(guī)3d打印技術(shù)是將制粉和打印分開進(jìn)行，需要不同的裝置，成本太高，粉末儲(chǔ)運(yùn)過程中容易氧化。另外3d打印對(duì)粉末形狀和粒度有苛刻的要求，特別是電子束打印時(shí)“吹粉”問題難以解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述難題，提供了一種超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置、工作方法和以其為輔助的3d打印系統(tǒng)，可以在真空或其它氣氛下連續(xù)霧化制備高熔點(diǎn)金屬粉末，將制粉和3d打印集成到一臺(tái)設(shè)備上，可共用熱源、按需制粉，可控制粉末形狀、粒度以及溫度，增加粉末之間的粘結(jié)力，解決“吹粉”問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：

一種超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置，包括：超聲波振動(dòng)系統(tǒng)、超聲波變幅裝置、金屬絲、鎖緊系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)以及熱源；

所述超聲波振動(dòng)系統(tǒng)與超聲波變幅裝置連接，所述超聲波變幅裝置為筒狀或者至少在前端部設(shè)置空腔；所述金屬絲通過送絲系統(tǒng)穿過所述空腔；在所述超聲波變幅裝置上設(shè)置鎖緊系統(tǒng)；所述熱源設(shè)置在所述空腔的出口位置處。

進(jìn)一步地，所述超聲波變幅裝置為單個(gè)變幅桿，所述變幅桿為筒狀或者至少在前端部設(shè)置空腔。

進(jìn)一步地，所述鎖緊系統(tǒng)包括鎖緊器和施力器；所述鎖緊器固定在變幅桿的前端，所述鎖緊器在無外力作用時(shí)鎖緊金屬絲的前端；所述施力器固定在變幅桿上，能夠產(chǎn)生壓緊在鎖緊器上使其發(fā)生彈性形變的力。

進(jìn)一步地，所述超聲波變幅裝置為至少兩個(gè)變幅桿的組合，所述組合的變幅桿形成中心空腔。

進(jìn)一步地，所述鎖緊系統(tǒng)包括鎖緊器和施力器；所述鎖緊器固定在變幅桿上，通過鎖緊力將至少兩個(gè)變幅桿組合為一個(gè)整體；所述施力器固定在變幅桿上，能夠產(chǎn)生壓緊在鎖緊器上使其發(fā)生彈性形變的力。

進(jìn)一步地，在所述施力器上上設(shè)置冷卻器，與變幅桿工作端接觸時(shí)對(duì)變幅桿起到冷卻作用。

進(jìn)一步地，所述金屬絲前部被鎖緊，金屬絲離開空腔的后部通過彈性變形的方式彎曲設(shè)定角度，以保持金屬絲縱向振動(dòng)的一段長(zhǎng)度為固定值。

一種超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置的工作方法，包括以下步驟：

(1)金屬絲被鎖緊器鎖緊，并伸出變幅桿一段長(zhǎng)度；

(2)調(diào)整熱源的能量大小以及掃描路徑，熱源作用在金屬絲端頭，加熱形成液態(tài)金屬膜；

(3)超聲波振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生超聲振動(dòng)使液態(tài)金屬膜霧化噴出成粉；

(4)超聲波停止振動(dòng)，施力器施加松弛力在鎖緊器上，使鎖緊器與金屬絲脫離接觸；

(5)送絲系統(tǒng)將金屬絲向前推送一定長(zhǎng)度，以保持伸出變幅桿一段的長(zhǎng)度不變；

(6)施力器卸掉松弛力，鎖緊器的鎖緊力使金屬絲再次被鎖緊。

進(jìn)一步地，通過改變超聲波的頻率以及熔化金屬層的厚度改變金屬粉末的形貌、粒度；

所述超聲波的頻率通過改變超聲波振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的超聲波的頻率以及改變金屬絲負(fù)載段的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整；

所述熔化金屬層的厚度通過改變熱源的能量大小和輻照時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

一種3d打印系統(tǒng)，包括：超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置以及工作臺(tái)子系統(tǒng)；

通過超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置制備金屬粉末，所述制備的金屬粉末沉積到工作臺(tái)子系統(tǒng)；

通過超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置的熱源對(duì)沉積到工作臺(tái)子系統(tǒng)的金屬粉末進(jìn)行選區(qū)熔化；

通過位置調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整金屬絲與工作臺(tái)子系統(tǒng)的距離、熱源的輻照角度和能量參數(shù)，改變沉積金屬粉末的溫度、形狀、粒度，防止“吹粉”。

本發(fā)明的有益效果：

1)以金屬絲作為變幅桿負(fù)載進(jìn)行超聲振動(dòng)霧化，可在真空條件下進(jìn)行，不消耗惰性氣體，避免粉末污染；可采用連續(xù)送絲的方式進(jìn)行連續(xù)制粉。

2)所制備的粉末粒度分布窄，細(xì)粉收得率高。還通過調(diào)整霧化參數(shù)獲得不同形狀、粒度的粉末。

3)這種超聲振動(dòng)裝置還可以用于焊接、熔煉等類似場(chǎng)合。

4)將制粉和3d打印集成到一起，共用熱源，按需制粉，減少粉末儲(chǔ)運(yùn)，降低對(duì)粉末的要求，簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)。

5)可通過調(diào)整霧化參數(shù)獲得不同形狀、粒度和溫度的粉末，可利用粉末余熱將粉末“固定”，解決“吹粉”問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明夾頭鎖緊式超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明組合變幅桿鎖緊式超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明金屬絲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明金屬絲后部彎曲換向示意圖；

圖5是本發(fā)明3d打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，2、換能器，3、變幅桿，4、法蘭，5、鎖緊器，6、施力器，7、金屬絲，8、送絲器。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：

一方面，本發(fā)明公開了一種超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置，包括：超聲波振動(dòng)系統(tǒng)、超聲波變幅裝置、金屬絲7、鎖緊系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)以及熱源；

其中，超聲波振動(dòng)系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、換能器2等，用以產(chǎn)生超聲波并換能；超聲波變幅裝置采用變幅桿3；鎖緊系統(tǒng)包括鎖緊器5和施力器6。

變幅桿3上設(shè)置有鎖緊器5，鎖緊器5成為變幅桿3的一部分。施力器6施加外力在鎖緊器5上，可使其內(nèi)徑發(fā)生變化。

金屬絲7前部被鎖緊器5鎖緊、后部彎曲變向，通過這種方式鎖定一段金屬絲7作為變幅桿3的負(fù)載，或者成為變幅桿3的一部分。金屬絲7后部彎曲變向的位置優(yōu)先為節(jié)點(diǎn)處。

金屬絲7的直徑為d0，金屬絲7的長(zhǎng)度可以是無限長(zhǎng)，由供絲系統(tǒng)連續(xù)供應(yīng)，供絲系統(tǒng)可以設(shè)置適當(dāng)?shù)某C直裝置。變幅桿3為筒狀，或者至少在前端部是空心的。鎖緊器5有內(nèi)徑為d1(d1≤d0)的空腔。

金屬絲7放置在鎖緊器5和變幅桿3的空腔內(nèi)，鎖緊器5提供鎖緊壓力將金屬絲7鎖緊。鎖緊器5的鎖緊壓力可以是鎖緊器5自身的彈性應(yīng)力，也可以是電磁力或機(jī)械力，例如由設(shè)置在其上的磁體(永磁體或電磁體)提供。鎖緊壓力也可以由施力器6提供，例如把金屬絲7鎖緊的力如果是電磁力的時(shí)候，該力也可以由設(shè)在施力器6上的電磁場(chǎng)提供。

施力器6施加一個(gè)與鎖緊壓力方向相反的力在變幅桿3上，可使其脫離與金屬絲7的接觸，也即空腔前端內(nèi)徑由d1變?yōu)閐2(d2>d0>d1)。

施力器6的壓緊力和松開力由電磁力或彈簧彈力提供，例如由設(shè)置在其上的磁體(永磁體或電磁體)提供吸力和斥力。施力器6的支撐部分優(yōu)先的固定在法蘭4上。

根據(jù)金屬絲7鎖緊方式的不同，超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置可以分為夾頭鎖緊式和組合變幅桿3鎖緊式兩種結(jié)構(gòu)形式。

夾頭鎖緊式結(jié)構(gòu)如圖1所示，鎖緊器5為夾頭的形式，固定在變幅桿3的前端。

在一些實(shí)施方式中，也可以將變幅桿3本身作為夾頭。

夾頭可以是應(yīng)力鎖緊式，通過施力器6施加的外力鎖緊，或者也可以利用磁致伸縮或電致伸縮材料產(chǎn)生鎖緊力，也可靠彈簧等機(jī)械力產(chǎn)生鎖緊力。

施力器6在外力(如電磁力等)作用下發(fā)生位移，壓緊在變幅桿3端部的夾頭上，使其發(fā)生彈性變形，內(nèi)徑變?yōu)閐2(d1<d2)，松開金屬絲7(d1<d0<d2)。

組合變幅桿3鎖緊式結(jié)構(gòu)如圖2所示，變幅桿3以及與其固定的部分是由兩個(gè)以上組合的，組合的變幅桿3形成中心空腔，空腔前端的內(nèi)徑為d1(d1<d0)。變幅桿3上設(shè)置有鎖緊器5，靠鎖緊力將變幅桿3組合成為一個(gè)整體。

鎖緊器5優(yōu)先設(shè)置在與變幅桿3節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置，例如法蘭4所在位置。鎖緊器5的鎖緊壓力可以是電磁力或機(jī)械力，例如由設(shè)置在其上的磁體(永磁體或電磁體)提供。

金屬絲7置于空腔內(nèi)，變幅桿3的前端作為夾持頭，夾住并鎖緊金屬絲7。施力器6施加外力在鎖緊器5上，將變幅桿3拉開分離，與金屬絲7脫離接觸。

在一些實(shí)施方式中，在變幅桿3前端設(shè)置冷卻器，變幅桿3溫度過高時(shí)，冷卻器可壓緊在變幅桿3前端，對(duì)變幅桿3進(jìn)行降溫。

在另外一些實(shí)施方式中，冷卻器設(shè)置在施力器6上，施力器6與變幅桿3工作端接觸時(shí)對(duì)變幅桿3起到冷卻作用。上述的冷卻器可通過循環(huán)冷卻水的方式進(jìn)行降溫。

送絲系統(tǒng)包含至少一組送絲輪，當(dāng)金屬絲7被鎖緊器5松開時(shí)，送絲輪夾持金屬絲7并推送一段距離，當(dāng)金屬絲7被夾頭鎖緊時(shí)，送絲輪松開并脫離金屬絲7。

送絲輪可設(shè)在空腔外部，也可設(shè)在空腔內(nèi)部。當(dāng)設(shè)在空腔內(nèi)部時(shí)，優(yōu)先設(shè)置在與變幅桿3節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置，例如法蘭4所在位置。送絲系統(tǒng)的動(dòng)力部分可設(shè)在空腔外部。

金屬絲7在空腔內(nèi)(d0<d1)，空腔可以是直通的，如圖1所示，也可以前端直通，后部?jī)A斜，如圖2所示。

金屬絲7前部被鎖緊器5鎖緊，金屬絲7離開空腔的后部通過彈性變形的方式彎曲一定角度，以保持金屬絲7縱向振動(dòng)的一段長(zhǎng)度為一定值，也即變幅桿3的負(fù)載是一定的。

特別的，如果制粉的原料是難以彈性變形的金屬，如直徑較大的金屬棒，則可以采用分段連接的方式保持負(fù)載段的長(zhǎng)度一定。

金屬絲7可以是光桿，也可以加工出類似螺紋狀的凹槽(滾壓、軋制)以增強(qiáng)與鎖緊器5或變幅桿3之間的緊固程度，此時(shí)鎖緊器5或變幅桿3內(nèi)腔與金屬絲7接觸部位也設(shè)有與之相匹配的凸起，如圖3所示。

由超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的超聲波發(fā)生器、換能器2、變幅桿3產(chǎn)生的超聲波傳遞到金屬絲7頂端，形成縱向振幅。

金屬絲7頂端可被熱源加熱熔化一薄層，再經(jīng)超聲霧化噴出成粉，沉積為粉末層。

作為一種實(shí)施方式，熱源可以是高能束(如電子束、激光、等離子等)或其它熱源(例如高頻感應(yīng)線圈)中的一種或幾種的組合。

需要說明的是，本發(fā)明中的超聲波振動(dòng)系統(tǒng)包括的超聲波發(fā)生器、換能器2以及其他組件是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的技術(shù)特征；不必再做過多介紹。

超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置還應(yīng)包括必要的線路、支架、底座等部件，在此不再贅述。

另外，超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置如果單獨(dú)用做制備金屬粉末時(shí)，還應(yīng)包括常規(guī)霧化制粉所必需的其它設(shè)施，如霧化室、粉末篩分和收集包裝系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣體調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)等，在此不再贅述。

另一方面，本發(fā)明公開了超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置的工作原理，包括：

1)金屬絲7在鎖緊器5的鎖緊力作用下被鎖緊在變幅桿3上，并伸出一段。

2)調(diào)整高能束的能量大小和掃描路徑。高能束輻照在金屬絲7端頭，加熱形成液態(tài)金屬膜。

3)超聲振動(dòng)使液態(tài)金屬霧化噴出成粉。

4)超聲波停止振動(dòng)，施力器6施加松弛力在鎖緊器5上，使變幅桿3或鎖緊器5與金屬絲7脫離接觸。

5)送絲器8將金屬絲7向前推送一定長(zhǎng)度，以補(bǔ)充霧化損失的部分，保持伸出一段的長(zhǎng)度不變。

6)施力器6卸掉松弛力，鎖緊器5的鎖緊力使金屬絲7被鎖緊。

7)粉末的形貌、粒度等性能可以通過超聲波的頻率以及熔化金屬層的厚度等進(jìn)行調(diào)整。而超聲波的頻率通過改變超聲波發(fā)生器的頻率以及改變金屬絲7負(fù)載段的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。熔化金屬層的厚度則通過改變高能束的能量大小、輻照時(shí)間等進(jìn)行調(diào)整。

第三方面，本發(fā)明公開了一種超聲霧化制粉輔助3d打印系統(tǒng)，如圖5所示，包括：超聲霧化制粉子系統(tǒng)p、高能束子系統(tǒng)b、工作臺(tái)子系統(tǒng)w、控制系統(tǒng)c以及其它的輔助子系統(tǒng)。

其中，超聲霧化制粉子系統(tǒng)p：包括了前述的超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置，還包括送絲機(jī)構(gòu)、位置調(diào)整機(jī)構(gòu)等等。

高能束子系統(tǒng)b：包括高能束(優(yōu)先的為電子束)的產(chǎn)生及其能量和軌跡以及位置的調(diào)控機(jī)構(gòu)。高能束的產(chǎn)生采用超聲振動(dòng)霧化制備金屬粉末的裝置熱源，產(chǎn)生的高能束b1用于熔化金屬絲7、b2用于熔化金屬粉末。

工作臺(tái)w：包括工作臺(tái)位置調(diào)控(三維平移、旋轉(zhuǎn)、傾斜)機(jī)構(gòu)、粉末容器w1、粉末平鋪、輔助加熱和冷卻等機(jī)構(gòu)。

其它輔助子系統(tǒng)：包括監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)m、氣氛調(diào)節(jié)和控制機(jī)構(gòu)a、粉末收集、隔離、輸運(yùn)機(jī)構(gòu)以及擋板等。

中央控制子系統(tǒng)c：設(shè)定參數(shù)，與監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、計(jì)算并向各子系統(tǒng)發(fā)出指令。

超聲霧化制粉輔助3d打印系統(tǒng)的工作原理如下：

(1)霧化制粉的原料為金屬絲7(或棒，下面統(tǒng)稱為絲)，其成分與3d打印零件的成分接近，其組成元素中在重熔過程容易燒損的應(yīng)適當(dāng)增補(bǔ)一定的量。

(2)需要時(shí)，超聲霧化制粉子系統(tǒng)p中的金屬絲7前端被高能b1輻照，加熱熔化形成液膜并通過超聲霧化成為金屬粉末，然后沉積到工作臺(tái)子系統(tǒng)w的粉末容器w1內(nèi)，形成一定厚度的粉末層?？梢栽O(shè)置適當(dāng)?shù)膿醢澹乐狗勰┏练e到容器外部，沉積后將擋板移出?？赏ㄟ^旋轉(zhuǎn)、平移、傾斜等方式調(diào)整超聲霧化制粉子系統(tǒng)p及工作臺(tái)子系統(tǒng)w的角度、距離等參數(shù)，使粉末層厚度均勻?？赏ㄟ^調(diào)整金屬絲7與粉末容器w1的距離、高能束b1輻照角度和能量等參數(shù)，改變沉積粉末的溫度、形狀、粒度，特別是用來增加粉末間的粘結(jié)力，防止“吹粉”。

(3)金屬絲7向前端進(jìn)給一段距離以補(bǔ)充霧化成粉而損失的那部分，保持負(fù)載不變或變幅桿3的頻率不變。需要改變粉末粒度、形狀時(shí)，可調(diào)整金屬絲7進(jìn)給的距離以改變頻率，同時(shí)調(diào)整超聲波發(fā)生器頻率以適應(yīng)之。

(4)控制高能束b2以一定能量、角度和軌跡輻照粉末床特定位置，進(jìn)行選區(qū)熔化，按設(shè)定的策略掃描后逐步成形。

(5)布粉裝置將儲(chǔ)粉器內(nèi)的粉末平鋪在粉末床上，形成新的粉末層。

(6)重復(fù)步驟(2)-(5)，最終得到金屬零件，剩余粉末收集到儲(chǔ)粉器。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。