威拉里：批量化金屬3D打印粉末分級(jí)設(shè)備的設(shè)計(jì)

1、粉末的分級(jí)需求
之前文章提到過，現(xiàn)階段金屬3D打印完成了大尺寸設(shè)備的開發(fā)，很多打印服務(wù)商已經(jīng)開始批量布局大尺寸設(shè)備，相應(yīng)的單批次粉末需求量提升到了以往的3~5倍。在使用高容量的制粉設(shè)備同時(shí)，還需要對(duì)生產(chǎn)的粉末進(jìn)行穩(wěn)定高效的分級(jí)。

△振動(dòng)篩

2、批量化分級(jí)的難點(diǎn)
金屬粉末分級(jí)一般使用篩網(wǎng)和氣流分級(jí)兩種方式，根據(jù)不同的粉末基體、粒度分布、粉末球形度等選用不同的方式。

（1）篩網(wǎng)分級(jí)
篩網(wǎng)是用金屬絲編織或金屬板沖壓制成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過其固定的孔徑將不同粒度的粉末區(qū)分開。但靜止的粉末很容易卡住篩網(wǎng)孔，因此還需要使用擺錘、超聲波、斜面振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)振動(dòng)或拍擊等方式讓粉末產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到連續(xù)篩分的目的。

△篩網(wǎng)顯微鏡照片

3D打印粉末大多在50μm以下，只能使用金屬細(xì)篩絲編織的篩網(wǎng)，由于篩絲非常細(xì)，同時(shí)橫縱方向篩絲的交叉點(diǎn)無法固定，導(dǎo)致篩網(wǎng)的孔徑大小很難精準(zhǔn)控制，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)中270目（53μm）篩網(wǎng)的允許誤差高達(dá)30%，在實(shí)際使用過程中還會(huì)有更大的變形，因此篩網(wǎng)的分級(jí)效率很難達(dá)到80%，相同設(shè)備和工藝下粉末分級(jí)的結(jié)果會(huì)有較大的誤差，對(duì)于3D打印這種對(duì)粉末粒度分布要求非常苛刻的工藝，使用篩網(wǎng)分級(jí)經(jīng)常需要不斷返工調(diào)整。


（2）氣流分級(jí)
氣流分級(jí)是利用高速氣流帶動(dòng)粉末飛行，在分級(jí)器中改變氣流的速度或流向，使細(xì)粉繼續(xù)隨氣流運(yùn)動(dòng)，粗粉則沉降下來。

△氣流分級(jí)照片

理論上氣流分級(jí)可以進(jìn)行任意粒度的分級(jí)，且精度非常高。但實(shí)際上3D打印粉末無法做到完美的球形，尤其是VIGA工藝生產(chǎn)的粉末中一定會(huì)帶有部分的空心球、粘結(jié)粉、片條狀粉等等，這些特殊粉末的實(shí)際大小超過了設(shè)計(jì)的粗細(xì)粉末分界線，但它們?nèi)匀辉跁?huì)跟隨氣流進(jìn)入到細(xì)粉中，因此球形度越差、空心比例越高的粉末，使用氣流分級(jí)的效果越差。

同時(shí)，對(duì)于鈦合金、鋁合金等較為活潑的金屬，需要使用惰性氣體循環(huán)的氣流分級(jí)設(shè)備，使用成本會(huì)大幅上升。


（3）批量分級(jí)的穩(wěn)定性
無論是篩網(wǎng)還是氣流分級(jí)，在大批量連續(xù)分級(jí)時(shí)，粉末粒度分布的波動(dòng)都會(huì)不斷加大。
使用篩網(wǎng)時(shí)，一般都需要加入超聲波振動(dòng)，這會(huì)使網(wǎng)孔不斷變化，變化的過程基本上無法監(jiān)控。特別是使用不銹鋼篩絲時(shí)，其網(wǎng)孔的變化往往是不可逆的，并且更換新篩網(wǎng)后，由于篩網(wǎng)與框架連接的張力不同，實(shí)際的孔徑還需要使用標(biāo)準(zhǔn)粉末進(jìn)行校對(duì)。

使用氣流分級(jí)時(shí)，設(shè)備后端會(huì)有布袋除塵器，連續(xù)使用時(shí)布袋表面會(huì)因?yàn)閮?nèi)外壓差而附著一層無法被反吹掉的細(xì)粉，這部分粉會(huì)降低布袋的實(shí)際過濾面積，減少氣體通量，使前端粗細(xì)粉末的粒度分界線發(fā)生變化，需要經(jīng)常調(diào)整進(jìn)氣量、分級(jí)頻率等參數(shù)。


（4）粉末合批
對(duì)不同爐次的粉末進(jìn)行合批是提升粉末穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。1噸以內(nèi)的粉末使用常規(guī)的混料設(shè)備就可以達(dá)到不錯(cuò)的效果，但混粉量超過1噸后，混料設(shè)備的真空管路、內(nèi)部流道等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度會(huì)大幅提升，尤其是內(nèi)部流道，高端的設(shè)計(jì)能夠減少50%以上的混料時(shí)間，大幅縮短生產(chǎn)周期。

3、總結(jié)
進(jìn)行批量分級(jí)時(shí)，粉末粒度分布的穩(wěn)定性會(huì)大幅下降，如果沒有對(duì)應(yīng)的工藝和設(shè)備進(jìn)行即時(shí)調(diào)整，粉末的一致性會(huì)非常差，導(dǎo)致打印過程的不確定性大幅提高，同時(shí)也會(huì)降低打印件的綜合性能。

江蘇威拉里新材料科技有限公司自主開發(fā)了一體式分級(jí)流水線，能夠以200kg/h的處理量不間斷工作，設(shè)備在連續(xù)運(yùn)行30h后，其粉末粒度的波動(dòng)仍然能夠保持3%以內(nèi)，完全能夠滿足粒度一致性的需求。

隨著粉末生產(chǎn)能力的不斷提升，分級(jí)設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度必定成為影響粉末質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。