威拉里：批量化金屬3D打印粉末分級設備的設計

1、粉末的分級需求
之前文章提到過，現(xiàn)階段金屬3D打印完成了大尺寸設備的開發(fā)，很多打印服務商已經開始批量布局大尺寸設備，相應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備同時，還需要對生產的粉末進行穩(wěn)定高效的分級。

△振動篩

2、批量化分級的難點
金屬粉末分級一般使用篩網(wǎng)和氣流分級兩種方式，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
篩網(wǎng)是用金屬絲編織或金屬板沖壓制成的網(wǎng)狀結構，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、旋轉振動或拍擊等方式讓粉末產生運動，以達到連續(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，只能使用金屬細篩絲編織的篩網(wǎng)，由于篩絲非常細，同時橫縱方向篩絲的交叉點無法固定，導致篩網(wǎng)的孔徑大小很難精準控制，現(xiàn)行國家標準中270目（53μm）篩網(wǎng)的允許誤差高達30%，在實際使用過程中還會有更大的變形，因此篩網(wǎng)的分級效率很難達到80%，相同設備和工藝下粉末分級的結果會有較大的誤差，對于3D打印這種對粉末粒度分布要求非常苛刻的工藝，使用篩網(wǎng)分級經常需要不斷返工調整。


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

△氣流分級照片

理論上氣流分級可以進行任意粒度的分級，且精度非常高。但實際上3D打印粉末無法做到完美的球形，尤其是VIGA工藝生產的粉末中一定會帶有部分的空心球、粘結粉、片條狀粉等等，這些特殊粉末的實際大小超過了設計的粗細粉末分界線，但它們仍然在會跟隨氣流進入到細粉中，因此球形度越差、空心比例越高的粉末，使用氣流分級的效果越差。

同時，對于鈦合金、鋁合金等較為活潑的金屬，需要使用惰性氣體循環(huán)的氣流分級設備，使用成本會大幅上升。


（3）批量分級的穩(wěn)定性
無論是篩網(wǎng)還是氣流分級，在大批量連續(xù)分級時，粉末粒度分布的波動都會不斷加大。
使用篩網(wǎng)時，一般都需要加入超聲波振動，這會使網(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，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，實際的孔徑還需要使用標準粉末進行校對。

使用氣流分級時，設備后端會有布袋除塵器，連續(xù)使用時布袋表面會因為內外壓差而附著一層無法被反吹掉的細粉，這部分粉會降低布袋的實際過濾面積，減少氣體通量，使前端粗細粉末的粒度分界線發(fā)生變化，需要經常調整進氣量、分級頻率等參數(shù)。


（4）粉末合批
對不同爐次的粉末進行合批是提升粉末穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。1噸以內的粉末使用常規(guī)的混料設備就可以達到不錯的效果，但混粉量超過1噸后，混料設備的真空管路、內部流道等結構的設計難度會大幅提升，尤其是內部流道，高端的設計能夠減少50%以上的混料時間，大幅縮短生產周期。

3、總結
進行批量分級時，粉末粒度分布的穩(wěn)定性會大幅下降，如果沒有對應的工藝和設備進行即時調整，粉末的一致性會非常差，導致打印過程的不確定性大幅提高，同時也會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)了一體式分級流水線，能夠以200kg/h的處理量不間斷工作，設備在連續(xù)運行30h后，其粉末粒度的波動仍然能夠保持3%以內，完全能夠滿足粒度一致性的需求。

隨著粉末生產能力的不斷提升，分級設備的可靠性、穩(wěn)定性和精準度必定成為影響粉末質量的重要環(huán)節(jié)。