CN114888307A - 一种3d打印废旧粉末的回收装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个技术方案是提供了一种3D打印废旧粉末的回收装置，其特征在于，所述回收装置包括：送粉单元；筛分单元；被筛分单元筛分出的筛下物在气选单元内自由下落，下落过程中，气选单元产生方向与筛下物下落方向垂直的气流，筛下物中的正常粉末以及非正常粉末沿气流方向移动不同的距离，从而分别落入正常粉末收集部以及非正常粉末收集部内。本发明的另一个技术方案是提供了一种采用上述回收装置的3D打印废旧粉末回收方法。本发明的装置融合了筛分和气选两个单元，分别将3D打印废旧粉末中含有的粗大颗粒以及烟尘进行了分离，可简单方便的实现3D打印废旧粉末的回收，回收的粉末中无粗大颗粒，几乎不含有烟尘，可将粉末综合利用率从50‑70％提高至70％‑90％。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印废旧粉末的回收装置以及采用该回收装置的3D打印废旧粉末回收方法，属于3D打印技术领域。
背景技术
3D打印技术作为一种新的材料加工工艺，其融合了计算机三维辅助设计、数控技术、激光加工、材料科学等多个学科的先进技术。与传统制造生产方式相比，3D打印技术在生产周期、设计灵活性、定制化、复杂形状工件的制造等多方面具有优势。目前金属3D打印技术中的激光选区熔化工艺(SLM)已经在军工、模具、医疗等多个领域发挥着越来越大的价值。
SLM工艺的所加工的原材料为球形的金属粉末，一般采用雾化法制得。通用的金属粉末粒径范围一般为15-53μm，粒径呈正态分布。在打印过程中，熔池因为高温而发生汽化，金属蒸汽从熔池内喷射出去后，在熔池上空遇冷形成大量的烟尘。这种烟尘实际为亚微米级的金属颗粒，如不及时去除会笼罩在激光路径上对光束产生散射作用。SLM设备通过循环的风路对打印过程中产生的烟尘以及溅射物进行及时的清理。在循环风路的作用下，除了烟尘以及溅射物以外，还有相当一部分正常的粉末也会被带离粉末床，进入到风机的过滤系统。
风机的过滤系统一般由旋风分离、粗过滤和精过滤三级过滤组成。风路里绝大多数的颗粒物以及少量的烟尘会在旋风分离系统内沉降。经测试发现，旋风分离系统内沉降的粉末约占粉末总体消耗的20％-40％之多。
旋风分离系统内沉降的废粉主要由粗大颗粒、正常粉末以及烟尘三部分构成。烟尘的微粒由于存在不同程度的团聚，其粒径范围分布可从数十纳米到数毫米不等，采用常规的振动筛分方法难以将其有效的分离。目前行业内普遍对这些粉末直接做报废处理，这导致SLM工艺粉末的利用率普遍不高，一般仅为50％-70％。如果可以对这类废粉进行回收再利用，将大幅度提高粉末利用率，进而降低SLM的制造成本。对这种废旧粉末的回收利用也有利于SLM行业整体碳排放的降低。
发明内容
本发明的目的是：把废旧粉末中将正常的粉末回收出来，进而重复利用，提高整体的粉末利用率。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种3D打印废旧粉末的回收装置，将金属粉末定义为正常粉末，其他的粉末定义为非正常粉末，其特征在于，所述回收装置包括：
送粉单元，送粉单元用于收集、存储待回收粉末后，将待回收粉末经送粉量调节机构一送料至筛分单元；
筛分单元，筛分单元以振动方式对来自送粉单元的待回收粉末进行筛分，被筛分出的筛下物经由送粉量调节机构二自由下落至气选单元，被筛分出的筛上物则由废料回收单元进行回收；
被筛分单元筛分出的筛下物在气选单元内自由下落，下落过程中，气选单元产生方向与筛下物下落方向垂直的气流，筛下物中的正常粉末以及非正常粉末沿气流方向移动不同的距离，从而分别落入正常粉末收集部以及非正常粉末收集部内。
优选地，所述送粉单元包括顶部开放的料筒，待回收粉末通过料筒顶部开口被放入料筒中；料筒底部经由送粉量调节机构一与筛分单元相联通。
优选地，所述筛分单元包括内设有筛网的振动架，由超声波机构带动振动架及其上的筛网振动；筛网所在平面与水平面呈一夹角，使得来自送粉单元的待回收粉末落至筛网的较高处，被筛分出的筛上物自较高处滚落至较低处后，从筛网的较低一侧流出至废料回收单元。
优选地，所述超声波机构包括超声波发生器，超声波发生器发出的超声波通过换能器带动振动架振动，进而带动筛网振动以进行筛分。
优选地，所述气选单元包括罐体，筛下物经由送粉量调节机构二自由下落至罐体内，并在罐体内自由下落；罐体的侧面设有微孔烧结板，与筛下物下落方向垂直的气流自微孔烧结板吹出后，形成均匀的气流，并作用在自由下落的筛下物上；罐体位于微孔烧结板下方的部分形成两个相互隔离的输送通道，分别为与正常粉末收集部相连通的正常粉末通道以及与非正常粉末收集部相连通的非正常粉末通道；在微孔烧结板吹出的均匀气流的作用下，其中的正常粉末落入正常粉末收集通道，并被正常粉末收集部所收集，其中的非正常粉末落入非正常粉末收集通道，并被非正常粉末收集部所收集；
罐体上位于微孔烧结板对侧的部分设有吸风口，微孔烧结板吹出的均匀气流被吸风口回收后进入气流循环单元，并经由气流循环单元重新自微孔烧结板吹出。
优选地，所述微孔烧结板为粉末冶金法制备的烧结不锈钢，内含有均匀大小的透气孔。
优选地，所述气流循环单元包括风机，风机的进风端经由进风管道与吸风口相连通，进风管道上设置有过滤芯；风机的出风端经由出风管道与进风口相连通，出风管道上设置有风速计；进风口内设置有用于将风机提供的一股气流均匀分成多股气流的分流结构，多股气流自微孔烧结板吹出；吸风口内设置有用于将回收的多股气流整合为一股气流的整流结构；通过分流结构以及整流结构，确保微孔烧结板能够送出均匀的气流。
本发明的另一个技术方案是提供了一种采用上述回收装置的3D打印废旧粉末回收方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤1、通过送粉量调节机构一以控制送粉单元的送粉量，使得被废料回收单元所回收的筛上物刚好不包含正常粉末，设此时送粉单元的送粉量为；
步骤2、通过送粉量调节机构二以控制筛下物的供给量，同时联合调节气选单元所产生的方向与筛下物下落方向垂直的气流的流速，使得正常粉末收集部内基本无非正常粉末，并且非正常粉末收集部内无大量的正常粉末，设此时，筛下物的供给量为B，气流的流速为C；
步骤3、按照A和B中较小者设置送粉量调节机构一以及送粉量调节机构二或者按照A和B分别设置送粉量调节机构一以及送粉量调节机构二，并使得气选单元所产生的方向与筛下物下落方向垂直的气流的流速保持在C，利用上述回收装置进行3D打印废旧粉末回收作业。
相比现有技术，本发明具有如下特点和有益效果：
本发明的装置融合了筛分和气选两个单元，分别将3D打印废旧粉末中含有的粗大颗粒以及烟尘进行了分离。特别是在气选单元，采用多孔烧结板提供稳定的侧向气流，实现了烟尘的分离。通过此装置，可简单方便的实现3D打印废旧粉末的回收，回收的粉末中无粗大颗粒，几乎不含有烟尘，可将粉末综合利用率从50-70％提高至70％-90％。
附图说明
图1为本发明的3D打印废旧粉末回收设备装置示意图；
图2为本发明装置的气选原理示意图。
具体实施方式
本说明书中附图所显示的大小、比例等只是示意性的，用以配合说明书所描述的内容，并非用以限定本发明的实施条件，不影响本发明所产生的功效。本说明书中所述的“上”、“下”、“内”、“外”等位置关系仅是为了方便描述，而非用以限定本发明的可实施范围，其相对关系的改变，在无实质变更技术内容下亦视为本发明的可实施范畴。
如图1所示本发明公开了一种3D打印废旧粉末的回收装置，在本发明中，将金属粉末定义为正常粉末13，其他的诸如烟尘和部分细粉之类的粉末定义为非正常粉末12。
本发明提供的回收装置包括送粉单元，送粉单元用于收集、存储待回收粉末1后，将待回收粉末1经送粉量调节机构一送料至筛分单元。本实施例中，送粉单元包括顶部开放的料筒2，待回收粉末1通过料筒2顶部开口被放入料筒2中。料筒2底部经由送粉量调节机构一与筛分单元相联通。本实施例中，送粉量调节机构一包括与料筒2底部相连的电磁蝶阀3以及与电磁蝶阀3相连的料管，料管与筛分单元相连通，通过控制电磁蝶阀3的开合程度可以控制送粉单元的送粉量。
筛分单元以振动方式对来自送粉单元的待回收粉末1进行筛分，被筛分出的筛下物经由送粉量调节机构二自由下落至气选单元，被筛分出的筛上物则由废料回收单元进行回收。本实施例中，筛分单元包括内设有筛网4的振动架5，由超声波机构带动振动架5及其上的筛网4振动。筛网4呈方形，其孔径为75μm。筛网4所在平面与水平面呈7°夹角，使得来自送粉单元的待回收粉末1落至筛网4的较高处，被筛分出的筛上物自较高处滚落至较低处后，从筛网4的较低一侧流出至废料回收单元。本实施例中，废料回收单元为溢料罐14。本实施例中，送粉量调节机构二为电磁蝶阀9，通过控制电磁蝶阀9的开合程度可以控制筛下物的输送量。本实施例中，超声波机构包括超声波发生器7，超声波发生器7发出的超声波通过换能器6带动振动架5振动，进而带动筛网4振动以进行筛分，超声波功率为2KW。
被筛分单元筛分出的筛下物在气选单元内自由下落，下落过程中，气选单元产生方向与筛下物下落方向垂直的气流，筛下物中的正常粉末13以及非正常粉末12沿气流方向移动不同的距离，从而分别落入正常粉末收集部以及非正常粉末收集部内。
本实施例中，气选单元包括罐体10，筛下物经由送粉量调节机构二自由下落至罐体10内，并在罐体10内自由下落。罐体10的侧面设有微孔烧结板17，与筛下物下落方向垂直的气流自微孔烧结板17吹出后，形成均匀的气流，并作用在自由下落的筛下物上。本实施例中，微孔烧结板17为粉末冶金法制备的烧结不锈钢(例如304不锈钢)，内含有均匀大小的透气孔，过滤精度为150μm。罐体10位于微孔烧结板17下方的部分形成两个相互隔离的输送通道，分别为与正常粉末收集部相连通的正常粉末通道以及与非正常粉末收集部相连通的非正常粉末通道。
结合图2，不同密度的粉末在降落过程中受到同等大小侧向力的作用下，延吹风方向会移动不同的距离。在不考虑粉末下落过程中空气阻力影响的前提下，粉末的移动距离与粉末的密度呈反比，如下式(1)所示：
S＝C·P/(ρ·r) (1)
式(1)中，S为粉末的移动距离，C为常数，P为气体压力大小，ρ为粉末密度，r为粉末直径。
根据此原理，利用微孔烧结板17吹出的均匀气流可以将筛下物内部疏松密度低的非正常粉末12与实心的正常粉末13进行分离。因此，在微孔烧结板17吹出的均匀气流的作用下，其中的正常粉末13落入正常粉末收集通道，并被正常粉末收集部所收集，其中的非正常粉末12落入非正常粉末收集通道，并被非正常粉末收集部所收集。本实施例中，正常粉末收集部为正常粉末收集罐16，非正常粉末收集部为非正常粉末收集罐15。粉末分离的程度可通过调节微孔烧结板17吹出的均匀气流的风速来实现，同时，单位时间的落粉量也会影响分离的充分程度，也需要进行调节。
罐体10上位于微孔烧结板17对侧的部分设有吸风口11，微孔烧结板17吹出的均匀气流被吸风口11回收后进入气流循环单元，并经由气流循环单元重新自微孔烧结板17吹出。
本实施例中，气流循环单元包括风机20，风机20功率为3KW，风机20的进风端经由进风管道22与吸风口11相连通，进风管道22上设置有过滤芯21。风机20的出风端经由出风管道与进风口18相连通，出风管道上设置有风速计19。进风口18内设置有用于将风机20提供的一股气流均匀分成多股气流的分流结构，多股气流自微孔烧结板17吹出。吸风口11内设置有用于将回收的多股气流整合为一股气流的整流结构。通过分流结构以及整流结构，确保微孔烧结板17可以送出均匀的气流。由于部分非正常粉末12会从吸风口11进入循环单元，因此设置了过滤芯21，以避免安全隐患。
本发明还提供了一种采用上述回收装置的3D打印废旧粉末回收方法，其特征在于，包括以下步骤
本示例实施方式中还提供了一种3D打印废旧粉末的回收方法。参考图1和图2中所示，该方法可以包括以下步骤：
步骤1、通过送粉量调节机构一以控制送粉单元的送粉量，使得被废料回收单元所回收的筛上物刚好不包含正常粉末13，设此时送粉单元的送粉量为A。
步骤2、通过送粉量调节机构二以控制筛下物的供给量，同时联合调节气选单元所产生的方向与筛下物下落方向垂直的气流的流速，使得正常粉末收集部内基本无非正常粉末，并且非正常粉末收集部内无大量的正常粉末，设此时，筛下物的供给量为B，气流的流速为C。
步骤3、按照A和B中较小者设置送粉量调节机构一以及送粉量调节机构二或者按照A和B分别设置送粉量调节机构一以及送粉量调节机构二，并使得气选单元所产生的方向与筛下物下落方向垂直的气流的流速保持在C，利用上述回收装置进行3D打印废旧粉末回收作业。
Claims (8)
1.一种3D打印废旧粉末的回收装置，将金属粉末定义为正常粉末，其他的粉末定义为非正常粉末，其特征在于，所述回收装置包括：
送粉单元，送粉单元用于收集、存储待回收粉末后，将待回收粉末经送粉量调节机构一送料至筛分单元；
筛分单元，筛分单元以振动方式对来自送粉单元的待回收粉末进行筛分，被筛分出的筛下物经由送粉量调节机构二自由下落至气选单元，被筛分出的筛上物则由废料回收单元进行回收；
被筛分单元筛分出的筛下物在气选单元内自由下落，下落过程中，气选单元产生方向与筛下物下落方向垂直的气流，筛下物中的正常粉末以及非正常粉末沿气流方向移动不同的距离，从而分别落入正常粉末收集部以及非正常粉末收集部内。
2.如权利要求1所述的一种3D打印废旧粉末的回收装置，其特征在于，所述送粉单元包括顶部开放的料筒，待回收粉末通过料筒顶部开口被放入料筒中；料筒底部经由送粉量调节机构一与筛分单元相联通。
3.如权利要求1所述的一种3D打印废旧粉末的回收装置，其特征在于，所述筛分单元包括内设有筛网的振动架，由超声波机构带动振动架及其上的筛网振动；筛网所在平面与水平面呈一夹角，使得来自送粉单元的待回收粉末落至筛网的较高处，被筛分出的筛上物自较高处滚落至较低处后，从筛网的较低一侧流出至废料回收单元。
4.如权利要求3所述的一种3D打印废旧粉末的回收装置，其特征在于，所述超声波机构包括超声波发生器，超声波发生器发出的超声波通过换能器带动振动架振动，进而带动筛网振动以进行筛分。
5.如权利要求1所述的一种3D打印废旧粉末的回收装置，其特征在于，所述气选单元包括罐体，筛下物经由送粉量调节机构二自由下落至罐体内，并在罐体内自由下落；罐体的侧面设有微孔烧结板，与筛下物下落方向垂直的气流自微孔烧结板吹出后，形成均匀的气流，并作用在自由下落的筛下物上；罐体位于微孔烧结板下方的部分形成两个相互隔离的输送通道，分别为与正常粉末收集部相连通的正常粉末通道以及与非正常粉末收集部相连通的非正常粉末通道；在微孔烧结板吹出的均匀气流的作用下，其中的正常粉末落入正常粉末收集通道，并被正常粉末收集部所收集，其中的非正常粉末落入非正常粉末收集通道，并被非正常粉末收集部所收集；
罐体上位于微孔烧结板对侧的部分设有吸风口，微孔烧结板吹出的均匀气流被吸风口回收后进入气流循环单元，并经由气流循环单元重新自微孔烧结板吹出。
6.如权利要求5所述的一种3D打印废旧粉末的回收装置，其特征在于，所述微孔烧结板为粉末冶金法制备的烧结不锈钢，内含有均匀大小的透气孔。
7.如权利要求5所述的一种3D打印废旧粉末的回收装置，其特征在于，所述气流循环单元包括风机，风机的进风端经由进风管道与吸风口相连通，进风管道上设置有过滤芯；风机的出风端经由出风管道与进风口相连通，出风管道上设置有风速计；进风口内设置有用于将风机提供的一股气流均匀分成多股气流的分流结构，多股气流自微孔烧结板吹出；吸风口内设置有用于将回收的多股气流整合为一股气流的整流结构；通过分流结构以及整流结构，确保微孔烧结板能够送出均匀的气流。
8.一种采用权利要求1所述回收装置的3D打印废旧粉末回收方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤1、通过送粉量调节机构一以控制送粉单元的送粉量，使得被废料回收单元所回收的筛上物刚好不包含正常粉末，设此时送粉单元的送粉量为；
步骤2、通过送粉量调节机构二以控制筛下物的供给量，同时联合调节气选单元所产生的方向与筛下物下落方向垂直的气流的流速，使得正常粉末收集部内基本无非正常粉末，并且非正常粉末收集部内无大量的正常粉末，设此时，筛下物的供给量为B，气流的流速为C；
步骤3、按照A和B中较小者设置送粉量调节机构一以及送粉量调节机构二或者按照A和B分别设置送粉量调节机构一以及送粉量调节机构二，并使得气选单元所产生的方向与筛下物下落方向垂直的气流的流速保持在C，利用权利要求1所述回收装置进行3D打印废旧粉末回收作业。
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