本發明屬于3D打印機原料技術領域，具體涉及一種3D打印粉制備設備及其使用方法。
背景技術：
3D打印技術目前已成為全球最關注的新興技術之一。這種新型的生產方式與其他數字化生產模式一起將推動第三次工業革命的實現。制約3D打印技術迅速發展的其中一大瓶頸是打印材料，特別是金屬打印材料。研發和生產性能更好和通用性更強的金屬材料是提升3D打印技術的關鍵。在高性能金屬構件直接采用3D打印技術制造方面，需要粒徑細、粒徑均勻、高球形度、低氧含量的各類金屬粉末。目前高端的金屬粉末主要依賴進口。而國外廠商常將原材料與設備捆綁高價銷量，極大地制約了我國的金屬3D打印技術的發展。
目前，3D打印粉末材料的方法主要有機械研磨法、自蔓延高溫合成法、霧化法、還原法、電解法、旋轉電極法、化學氣相沉積法等，而氣霧化法生產的金屬粉末具有球形度好，粒度分布可控，生產效率高，成本低等特點，而成為3D打印用金屬粉末主要的生產方法。但氣霧化法成本高，能耗大，一些關鍵零部件(如噴頭)等還長期被國外壟斷。水霧法制備的材料則純度不夠。因此，目前國內沒有成熟的3D打印所需球形金屬粉體制備設備及粉體耗材。
市場上急需一種3D打印用金屬粉末制造設備，以滿足3D打印對金屬粉末的高質量要求。
技術實現要素：
爆炸絲法是在一定的介質或者真空中，對絲導體施加高電壓瞬間產生強大的脈沖電流，使絲導體短時間內熔化、氣化、膨脹，發生爆炸。其爆炸產物在爆炸沖擊波的作用下高速向四周濺射，冷卻后形成納米粉末。電爆炸金屬絲作為金屬粉體制備方法之一，具有設備體積小，能耗低，產量大的特點。在制備3D打印粉方面，具有較好的應用前景。
為了克服現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種3D打印粉制備設備，制備出的金屬粉末球形度高、成分均勻、氧含量低，金屬粉末優良的分散性和輸送性適于3D打印機用。同時，本發明還提供了3D打印粉制備設備的使用方法。
本發明是這樣實現的：
一種3D打印粉制備設備，包括進料機構、送風機構、風管、高壓發生裝置、反應腔、3D打印粉收集器和溫控系統，
所述反應腔為直立式類平形四邊形結構，所述反應腔包括左側腔壁、右側腔壁、頂部腔壁和底部腔壁，所述左側腔壁和所述右側腔壁對向豎直設置，所述頂部腔壁和所述底部腔壁對向斜向設置；
所述進料機構與所述左側腔壁連通設置；
所述高壓發生裝置穿過所述頂部腔壁伸入所述反應腔內部；
所述送風機構通過所述風管與所述反應腔連通設置；
所述3D打印粉收集器與所述右側腔壁連通設置；
所述溫控系統位于所述反應腔的上部，用于調節冷卻風的溫度。
優選地，還包括殘渣收集器，所述殘渣收集器位于所述底部腔壁和所述右側腔壁交叉的位置，便于殘渣和大顆粒金屬粉落入所述殘渣收集器。
優選地，所述送風機構包括送風口，所述送風口位于所述反應腔內部，所述高壓發生裝置包括電極，所述送風口與所述電極正對設置，用于冷卻電極處產生的金屬液滴。
優選地，還包括旋風收集器，所述旋風收集器位于所述右側腔壁的右側，所述旋風收集器通過所述風管與所述3D打印粉收集器連通。
優選地，所述溫控系統包括水冷卻器，所述水冷卻器用于與冷卻氣體進行熱交換以控制冷卻氣體的溫度。
優選地，所述反應腔包括內襯，所述內襯材料為聚四氟乙烯。
根據本發明的另一方面，一種使用上述3D打印粉制備設備的方法，包括以下步驟：
S1：進料：金屬絲在進料機構中拉直進料，
S2：氣霧化：金屬絲在反應腔中高壓發生器產生的高電壓下氣霧化，形成微小的液滴，
S3：冷凝及3D打印粉收集：液滴遇到反應腔上方送風機構吹來的冷卻氣體后冷凝形成微米級球形金屬顆粒，殘渣及大顆粒掉入反應腔底部的殘渣收集器中，球形金屬顆粒往下隨氣流進入3D打印粉收集器進行收集，
S4：納米粉收集：攜帶部分納米級粉的冷卻氣流從3D打印粉收集器中出來后，進入旋風收集器中，進行納米級粉的收集，
S5：冷卻：氣體從旋風收集器中出來，進入溫控系統中進行溫度調節，
S6：送風：冷卻后的氣體經送風機構重新進入反應腔，進行下次循環。
優選地，所述3D打印粉的粒徑為10-50um。
優選地，所述溫控系統調節的工作溫度至少為15度。
優選地，所述高壓發生器的工作電壓小于25KV。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
(1)本發明電氣霧化金屬絲，能量利用率大，成本低；
(2)使用惰性氣體保護金屬，粉末免受氧化，能夠避免制造過程中金屬粉末被氧化等缺陷的出現；
(3)本發明中，反應腔側壁斜向結構的設置，便利了殘渣的收集，同時也導向攜帶金屬粉的冷卻氣體進入3D打印粉收集器進行粉料的收集；
(4)反應腔內襯采用聚四氟乙烯材料，避免了在高壓下金屬材質的反應腔壁被氣化形成金屬蒸汽，造成對金屬納米粉的污染；
(5)該方法制備的球形金屬粉體，粒徑處于10-50um，具有良好的流動性和高純度，適合作為金屬3D打印耗材。
附圖說明
圖1是3D打印粉制備設備示意圖。
附圖中的標記如下：
1-進料機構，2-送風機構，21-送風口，22-風機，3-溫控系統，4-高壓發生裝置，41-電極，5-反應腔，51-左側腔壁，52-右側腔壁，53-頂部腔壁，54-底部腔壁，6-風管，7-旋風收集器，71-第二進氣口，72-納米粉集料箱，73-第二出風口，8-3D打印粉收集器，81-第一進氣口，82-第一出風口，9-殘渣收集器。
具體實施方式
以下將參考附圖詳細說明本發明的示例性實施例、特征和方面。附圖中相同的附圖標記表示功能相同或相似的部件。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。
對于本領域的技術人員而言，應當清楚本申請中提及的“前、后、上、下、左、右”等方向用詞僅是為了能夠更直觀地解釋本發明，因此在文中的上述的方向用詞并不構成對本發明的保護范圍的限制。
如圖1所示，一種3D打印粉制備設備，包括進料機構1、送風機構2、風管6、高壓發生裝置4、反應腔5、3D打印粉收集器8、溫控系統3、旋風收集器7和殘渣收集器9。進料機構1與左側腔壁51連通設置。高壓發生裝置4穿過頂部腔壁53伸入反應腔5內部。送風機構2通過風管6與反應腔5連通設置。3D打印粉收集器8與右側腔壁52連通設置。溫控系統3位于反應腔5的上部，用于調節冷卻風的溫度。殘渣收集器9位于底部腔壁54和右側腔壁52交叉的位置，便于殘渣和大顆粒金屬粉落入殘渣收集器9。旋風收集器7位于右側腔壁52的右側，旋風收集器7通過風管6與3D打印粉收集器8連通。通過本發明的3D打印粉制備設備電氣霧化金屬絲，能量利用率大，成本低。同時，使用惰性氣體保護金屬，粉末免受氧化，能夠避免制造過程中金屬粉末被氧化等缺陷的出現
如圖1所示，進料機構1與反應腔5的左側腔壁相連通，進料機構將金屬絲或金屬片送入反應腔5中電極41附近，通過高壓發生裝置4實現電極41放電，使金屬絲或金屬片被高壓電氣霧化，形成金屬液滴。進料機構1可以為電爆炸領域中常用的裝置。
如圖1所示，送風機構2包括送風口21和風機22。優選送風機構2位于進料機構1和高壓發生裝置中間位置，以減少設備占用的空間。也可將送風機構設置在其他位置，通過加長風管6等實現對反應腔5的送風。風機22通過風管6將風經送風口21送入反應腔5中，實現對霧化金屬液滴的冷卻和攜帶風送及收集。優選送風口21位于反應腔5內部，送風口21與電極41正對設置，用于冷卻電極處產生的金屬液滴。
如圖1所示，風管6連通設置在整個制備設備中，送風機構經風管6實現送風，再將攜帶金屬粉的氣流依次送經3D打印粉收集器8和旋風收集器7，固氣分離后的氣體經風管送至溫控系統3進行溫度調節，再經送風機構2進行新一循環的送風。
如圖1所示，高壓發生裝置4包括電極41。高壓發生裝置4穿過頂部腔壁53，使電極41位于反應腔5中，便于對進料機構送進來的金屬絲或金屬片進行電氣霧化。
如圖1所示，反應腔5為直立式類平形四邊形結構。反應腔5包括左側腔壁51、右側腔壁52、頂部腔壁53和底部腔壁54。左側腔壁51和右側腔壁52對向豎直設置，頂部腔壁53和底部腔壁54對向斜向設置。反應腔側壁斜向結構的設置，便利了殘渣的收集，同時也導向攜帶金屬粉的冷卻氣體進入3D打印粉收集器進行粉料的收集。優選反應腔5包括內襯，內襯材料為聚四氟乙烯，或者與聚四氟乙烯具有類似性質的材料，避免了在高壓下金屬材質的反應腔壁被氣化形成金屬蒸汽，造成對金屬納米粉的污染。
如圖1所示，3D打印粉收集器8包括第一進氣口81、第一出風口82和收集箱(未示圖)。第一進氣口81通過右側腔壁52與反應腔5相連通，便于反應腔中攜帶金屬粉的氣體流經第一進氣口81進入3D打印粉收集器8的收集箱中。第一出風口82與風管6相連通。經收集箱收集3D打印粉后，攜帶納米級金屬粉的氣流經第一出風口82，流入風管6中，并經風管6進入旋風收集器7中。
如圖1所示，溫控系統3包括水冷卻器(未示圖)。水冷卻器用于與冷卻氣體進行熱交換以控制冷卻氣體的溫度。經旋風收集器固氣分離后的氣體，進入溫控系統，通過水冷卻器與氣體進行熱交換，以實現對冷卻氣體溫度的調節。調節溫度后的氣體則再次進入風管6中。當然，溫控系統中的冷卻器也可以為其他液體和類型的冷卻器，以及能實現溫度調節的其他裝置，均符合本發明的要求。
如圖1所示，旋風收集器7包括第二進氣口71、納米粉集料箱72和第二出風口73。旋風收集器7位于右側腔壁52的右側，旋風收集器7通過風管6與3D打印粉收集器8連通。第二進氣口71與風管6相連，便于從3D打印粉收集器來的氣流進入旋風收集器7中。氣流經納米粉集料箱72收集納米粉后，固氣分離后的氣體再經第二出風口73重新進入風管6中。并經風管6進入溫控系統4中進行溫度調節。
如圖1所示，殘渣收集器9包括進料口(未示圖)。殘渣收集器9位于底部腔壁54和右側腔壁52交叉的位置，便于殘渣和大顆粒金屬粉通過進料口落入殘渣收集器，實現了對殘渣的回收，也避免了殘渣對反應腔的影響。
根據本發明的另一方面，一種使用上述3D打印粉制備設備的方法，包括以下步驟：
S1：進料：金屬絲在進料機構中拉直進料，
S2：氣霧化：金屬絲在反應腔中高壓發生器產生的高電壓下氣霧化，形成微小的液滴，
S3：冷凝及3D打印粉收集：液滴遇到反應腔上方送風機構吹來的冷卻氣體后冷凝形成微米級球形金屬顆粒，高壓發生器的工作電壓小于25KV；殘渣及大顆粒掉入反應腔底部的殘渣收集器中，球形金屬顆粒往下隨氣流進入3D打印粉收集器進行收集，3D打印粉的粒徑為10-50um，
S4：納米粉收集：攜帶部分納米級粉的冷卻氣流從3D打印粉收集器中出來后，進入旋風收集器中，進行納米級粉的收集，
S5：冷卻：氣體從旋風收集器中出來，進入溫控系統中進行溫度調節，溫控系統調節的工作溫度至少為15度，
S6：送風：冷卻后的氣體經送風機構重新進入反應腔，進行下次循環。
使用時，金屬絲經送絲機構輸送到高壓發生器后，氣霧化(以霧化為主)形成微小的液滴，小液滴被從上吹來的冷風冷卻形成微米級球形顆粒，然顆粒往下隨氣流進入3D打印粉收集器，而殘渣則進入殘渣收集器；經3D打印粉收集器收集后，冷卻風中含有部分納米級粉末(金屬絲氣化形成)隨氣流進入旋風收集器，進入納米材料集料口中。冷卻風則進入溫控系統中進行冷卻后通過管道進入反應腔形成下一次循環。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
(1)本發明電氣霧化金屬絲，能量利用率大，成本低；
(2)使用惰性氣體保護金屬，粉末免受氧化，能夠避免制造過程中金屬粉末被氧化等缺陷的出現；
(3)本發明中，反應腔側壁斜向結構的設置，便利了殘渣的收集，同時也導向攜帶金屬粉的冷卻氣體進入3D打印粉收集器進行粉料的收集；
(4)反應腔內襯采用聚四氟乙烯材料，避免了在高壓下金屬材質的反應腔壁被氣化形成金屬蒸汽，造成對金屬納米粉的污染；
(5)該方法制備的球形金屬粉體，粒徑處于10-50um，具有良好的流動性和高純度，適合作為金屬3D打印耗材。
最后應說明的是：以上所述的各實施例僅用于說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或全部技術特征進行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。