一種軸向熱收縮率小于0.5%的3d打印線材、制備工藝方法及制造裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及三維打印機所用的3D打印線材，尤其是指在200°C溫差下，軸向熱收縮率小于0.5%的3D打印線材。本發明還涉及3D打印線材的制備工藝方法和制備設備。
【背景技術】
[0002]三維打印(3DP)是在過去三十年中成功開發出來的新興制造技術，能直接從計算機輔助設計(CAD)模型生成復雜的自由曲面零件。三維打印系統通常使用逐層堆積和增量的方法來加工出所需零件原形，常用工藝方法包括熔融沉積、噴墨印刷、激光燒結、光聚合等。
[0003]熔融沉積造型(FDM)的工藝設計簡單而可靠，被認為是最常用的3D打印方法。FDM只需要加熱和加壓就可從出料口擠出熔化的線材。相比其他3D打印機器，FDM打印機由于其低價格而競爭力強，這是FDM打印機在當今增量制造業最商業化的主要原因。FDM工藝使用的熱塑性線材的材料主要是熱塑性聚合物，主要包括聚丙烯腈/丁二烯/苯乙烯聚合物(ABS)、聚乳酸(PLA)和尼龍這類材質。在打印過程中，熱塑性聚合物線材在離開出料口前被加熱到高于熔融點的溫度，然后一層一層地打印并堆積成所期望的三維結構。
[0004]但是，FDM的一個基本問題是熱塑性聚合物線材的熱膨脹系數大，根據我們對現有文獻研宄，熱塑性聚合物線材的收縮率通常在2?5%，比陶瓷的高20倍以上。因此，熔化的線材在從熔融態冷卻到固體的過程中經受大級別熱收縮，這造成打印時在層間形成高殘余應力并由此而引起所打印結構的變形和翹曲。這個問題在打印大尺寸產品時尤其突出。鑒于當前的FDM線材的熱膨脹系數大，工件比較大的變形問題是一個固有的難以解決的技術問題。因為當新的熔融層被添加到舊的已固化的堆積層上時，新添加層在面內方向收縮，這將在層內產生拉伸應力，而這拉伸應力會使已固化層向上弓形翹曲。
[0005]至今為止在減少FDM打印失真的問題上業界和學術界僅取得很有限的一些進展，而這些有限進展也主要是在工藝條件和印刷路徑優化上。例如，張和周等通過有限元分析發現掃描速度是打印失真和工件變形及翹曲的最顯著影響因素，隨后是打印層的厚度。索德等使用灰色Taguchi法來優化FDM的工藝條件以提高打印精度。其他有些作者也對可能影響失真的工藝條件進行了實驗性的或模擬性的研宄。他們的研宄結果大同小異，一般都指出工藝條件對打印失真具有重要作用。然而，實際的影響也很大程度上依賴于零件設計本身。在最近幾年里，一些研宄者也試圖開發由金屬顆粒填充的聚合物復合線材。由于金屬顆粒的熱膨脹系數小但熱導率高，一般相信這樣的復合材料可以減少線材的熱收縮，從而減少打印失真。然而，已有報告所給出的結果相當有限。主要原因是金屬顆粒的填充量不能太高否則線材會由于粘度太高而不易打印。因此，FMD打印失真的問題是急需解決的技術問題，本發明的研發目的提供一種解決FMD工藝打印失真的3D打印線材。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種3D打印線材，其具有極小的軸向熱收縮率，保證打印線材在堆積高度層面時產生的翹曲形變較小，大大減小了傳統線材在打印堆積高度層面時所產生的殘余應力。為了制作本發明的3D打印線材，本發明還需解決的技術問題是制作3D打印線材的工藝方法及相關制造裝置。通過特定的工藝方法及專門設計的設備裝置，實現本發明3D打印線材的制備。
[0007]為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案是一種軸向熱收縮率小于0.5%的3D打印線材，其包括熱塑性聚合物線材基質，其特征在于在所述熱塑性聚合物線材基質中，沿軸向間隔錯位設置有數條玻璃纖維或碳纖維，所述玻璃纖維或碳纖維其長度方向與所述熱塑性聚合物線材軸向同向。
[0008]所述熱塑性聚合物線材基質為聚丙烯腈/ 丁二烯/苯乙烯聚合物、聚乳酸或尼龍。
[0009]所述玻璃纖維或碳纖維以體積比計，其占所述3D打印線材體積的10?50%。
[0010]所述玻璃纖維或碳纖維以體積比計，其占所述3D打印線材體積的20%。
[0011]所述玻璃纖維或碳纖維的直徑〈10 μ m、彈性模量>70GPa、強度>2GPa。
[0012]本發明提供的另一技術方案是提供一種軸向熱收縮率小于0.5%的3D打印線材的制備工藝方法，其步驟如下:1)混合擠出:首先，在熱塑性聚合物中添加重量百分比小于0.1 %的塑化劑作為線材基質，然后將玻璃纖維或碳纖維混合在熔融態的熱塑性聚合物線材基質中，并擠出成線材；混合擠出溫度為熔融溫度基礎上增加5°c?50°C ；2)超強拉伸:將擠出冷卻的線材從錐形滾筒的小直徑端開始纏繞數圈在所述錐形滾筒外表面上，并從大直徑端繞出進行拉伸；所述錐形滾筒的拉伸溫度為在所述熱塑性聚合物線材基質玻璃化溫度基礎上增加5?50°C;3)退火冷卻:將拉伸冷卻后的線材進行退火，退火溫度為在所述熱塑性聚合物線材基質玻璃化溫度基礎上增加5?50°C，退火時間2秒至2分鐘，退火完成后室溫下冷卻。
[0013]還包括卷繞步驟，退火后并經室溫冷卻后，將制備的3D打印線材卷繞在收集卷軸上。
[0014]所述熱塑性聚合物線材基質為聚丙烯腈/ 丁二烯/苯乙烯共聚物、聚乳酸或尼龍。
[0015]所述玻璃纖維或碳纖維的直徑〈10 μ m，彈性模量>70GPa、強度>2GPa。
[0016]所述步驟I中擠出的線材直徑約2mm。
[0017]所述玻璃纖維或碳纖維添加量以體積比計，其占所述線材體積的10?50%。
[0018]所述玻璃纖維或碳纖維添加量以體積比計，其占所述線材體積的20%。
[0019]本發明提供的另一種技術方案是一種制備軸向熱收縮率小于0.5%的3D打印線材的制造裝置，其包括擠出裝置，所述擠出裝置包括帶有加熱裝置的螺桿送料器和與所述螺桿送料器前端連接的擠出模具；其特征在于還包括與拉伸裝置、退火裝置；在所述螺桿送料器上由后向前依次設置有熱塑性聚合物線材基質加料口和纖維加料口 ；所述拉伸裝置包括可轉動的錐形滾筒，在所述錐形滾筒內周壁上設置有對其進行加熱的加熱裝置；所述退火裝置為加熱裝置；在所述擠出裝置、拉伸裝置及退火裝置之間分別設置有數個導引輪，經所述擠出裝置擠出的線材經所述導引輪自所述錐形滾筒小直徑端纏繞數圈在所述錐形滾筒外表面上再由其大直徑端繞出拉伸后經所述導引輪穿過所述退火裝置退火，再經所述導引輪在室溫下冷卻。
[0020]還包括卷繞裝置，所述卷繞裝置包括可轉動的收集滾筒，拉伸退火冷卻后的線材被收集在所述收集滾筒上。
[0021]本發明的軸向熱收縮率小于0.5%的3D打印線材，通過在熱塑性聚合物線材基質中在線材軸向間隔錯位設置若干條玻璃纖維或碳纖維，玻璃纖維或碳纖維通過拉伸工藝在3D打印線材軸向高度同向排序，增強線材強度，減小3D線材軸向翹曲形變。本發明的3D打印線材含有沿軸向高度取向的長而且超細的(細旦甚至超細旦)玻璃纖維或碳纖維。在本發明中，選擇的玻璃纖維或碳纖維材質為直徑〈10 μ m，模量>70GPa和強度>2GPa的超強纖維。因此，一旦所加纖維能在FDM線材的軸向高度取向，在FDM工藝用3D打印線材的直徑方向，即線材的橫截面上就能放置大量玻璃纖維或碳纖維(典型FDM工藝用3D打印線材直徑一般大于0.5_)，使線材的軸向收縮率最小可接近玻璃纖維或碳纖維收縮率，提高3D打印線材的強度和減小軸向翹曲形變。
[0022]玻璃纖維和碳纖維沿纖維軸向方向的熱膨脹系數比典型的熱塑性聚合物如ABS的要低20倍以上。一旦這些纖維沿線材