一種3D打印用高溫耗材拉絲設備的制作方法

本實用新型涉及新型裝備制造領域，具體地，涉及一種3D打印用高溫耗材拉絲設備。

背景技術：

增材制造技術(也稱“3D打印”)是基于計算機三維CAD模型，采用逐層堆積的方式直接制造三維物理實體的方法。增材制造技術可以在一臺設備上快速精密地制造出任意復雜形狀和結構的零部件，從而實現“自由制造”。與傳統加工技術相比，增材制造可降低加工成本20％-40％以上，縮短產品研發周期約80％。近20年來，增材制造技術得到了快速發展，形成了多種成型技術和裝備。這些技術面向航空航天、武器裝備、汽車、模具以及生物醫療等高端制造領域，直接制造三維復雜結構，解決傳統制造工藝難以甚至無法加工的制造難題。增材制造作為一項前瞻性、戰略性技術，其工程應用性很強，領域跨度大，對未來制造業，尤其是高端制造的發展十分重要。其中熔融沉積快速原型制造(FDM)是一種將各種熱熔性的絲狀/粉體材料加熱熔化擠出成型技術，它具有設備簡單、工藝干凈、運行成本低且不產生垃圾，可以快速構建中空零件等優點。相比于針對軍工的選擇性激光融化設備(SLM)，FDM打印機價格低廉，易于推廣并盡快應用于工藝品、模具、汽車零部件直接制造等民用工業。但現有的FDM成型設備受固件及控制組件的限制，成型室最高只能達到120℃，擠出頭溫度最高可達280℃。這些限制導致目前可用于FDM打印的主要是ABS和PLA兩種材料。隨著技術的的進步及3d打印技術應用領域的拓展，尼龍、PEEK和聚酰亞胺等高強度耐高溫的高性能工程塑料的打印必然是一種趨勢。與之配套的打印耗材的研發也迫在眉睫。

目前，國內3D打印耗材還在采用傳統的擠出、冷卻、繞絲工藝。由于3d打印耗材對絲材的線徑要求很嚴格。目前市面上大多采用1.75±0.02mm的規格。如此高的精度要求，需要保證收縮的均勻性和不同批次產品的一致性。特別是對于高溫熱塑性材料，為保證精度，整個設備尺寸較大或者加工速度非常緩慢，不便于用作實驗室研發設備。而且對于FDM用一定半結晶或者非晶耗材難以制備。受到材料收縮率不同的限制，每種材料都需要一種特定孔徑的模具與之對應，通用性較差。

綜上所述，目前需要一種使用方便，通用性好的3D打印用高溫耗材拉絲設備。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種3D打印用高溫耗材拉絲設備，所述的3D打印用高溫耗材拉絲設備體積更加小巧、加工速度更快、均勻性更好，對于半結晶、非晶材料的制備液更加方便，且對不同材料的通用性較好。

在本實用新型的第一方面，提供了一種3D打印用高溫耗材拉絲設備，所述設備包括：機架20；和依次設置于所述的機架上的：強制冷卻區4，所述強制冷卻區包括：強制冷卻風罩6，和位于所述強制冷卻風罩外的一個或數個用于冷卻原絲的強制冷卻裝置5；退火拔絲區7，所述退火拔絲區包括：拔絲孔板8、9，和設置于所述拔絲孔板上的加熱器10；緩冷區12，所述緩冷區包括：緩冷風罩14、位于所述緩冷風罩外的一個或數個緩冷裝置13、和滑動風擋15；和控制器19，所述的控制器用于控制所述的設備運轉。

在另一優選例中，所述的強制冷卻風罩和緩冷風罩為表面具有一個或多個風罩孔的筒狀結構，且所述筒狀結構中心具有空隙，用于通過原絲。

在另一優選例中，所述的強制冷卻風罩和緩冷風罩表面為具有多個風罩孔的多孔結構。

在另一優選例中，所述風罩孔為方形孔。

在另一優選例中，所述風罩孔為圓形孔。

在另一優選例中，所述的強制冷卻風罩和緩冷風罩為圓筒形結構。

在另一優選例中，所述的風罩為金屬風罩、塑料風罩、外面包裹塑料的金屬風罩。

在另一優選例中，所述的強制冷卻裝置和所述的緩冷裝置位于所述的強制冷卻風罩和緩冷風罩的外周，且使所述的強制冷卻裝置和所述的緩冷裝置垂直于原絲前進方向的截面各處溫度基本均勻。

在另一優選例中，所述的強制冷卻風罩和緩冷風罩表面的風罩孔的孔面積沿原絲前進方向逐漸增大，或所述的強制冷卻風罩和緩冷風罩表面的風罩孔的孔密度沿原絲前進方向逐漸增大。

在另一優選例中，沿原絲前進方向，所述的強制冷卻風罩中的溫度逐漸下降。

在另一優選例中，沿原絲前進方向，所述的緩冷風罩中的溫度逐漸下降。

在另一優選例中，所述拔絲孔板上設置有不同孔徑的一組或多組拔絲孔。

在另一優選例中，所述的機架上還固定有：位于所述的強制冷卻區前端的擠出裝置，其中，所述的擠出裝置包括：料斗1、擠出機2、擠出頭3；位于所述的緩冷區后端的繞絲裝置，其中，所述的繞絲裝置包括：繞絲輪16、繞絲機17，和線軸18。

在另一優選例中，所述的繞絲裝置具有數個交錯分布的繞絲輪。

在另一優選例中，所述的強制冷卻裝置是冷卻風扇；和/或所述的緩冷裝置是冷卻風扇。

在另一優選例中，所述的退火拔絲區還包括設置于所述的拔絲孔板上的溫度傳感器11。

在另一優選例中，所述的加熱器為嵌于所述的拔絲孔板表面的電熱絲。

在本實用新型的第二方面，提供了一種3D打印用高溫耗材拉絲方法，所述的方法包括步驟：

(1)在所述的擠出裝置中加入打印原料，運行所述的擠出裝置，使所述的擠出裝置擠出高溫原絲；

(2)使所述的高溫原絲通過強制冷卻區進行冷卻，得到中溫原絲；

(3)使所述的中溫原絲通過所述的拔絲孔板，從而得到特定孔徑的半成型原絲；

(4)使所述的半成型原絲通過所述的緩冷區，從而得到冷卻成型原絲；

(5)運行所述的繞絲裝置，使所述的成型原絲繞于所述的線軸上。

在另一優選例中，所述的方法還包括，通過所述的控制器，調節所述設備各區域的溫度。

在另一優選例中，在所述的步驟(3)之前，開啟所述的加熱器，使所述的拔絲孔板處于高溫狀態。

在另一優選例中，所述的方法還包括，通過所述的線軸轉動引導所述的原絲前進。

在另一優選例中，所述的方法還包括，通過所述的控制器，調節所述線軸的轉動速度。

在另一優選例中，所述的打印原料是熱塑性樹脂。

在另一優選例中，所述方法還包括：在所述的擠出機中對所述的打印原料進行加熱熔融。

應理解，在本實用新型范圍內，本實用新型的上述各技術特征和在下文(如實施例)中具體描述的各技術特征之間都可以互相組合，從而構成新的或優選的技術方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附圖說明

圖1為實施例1中耗材拉絲設備的結構示意圖；

圖2為本實用新型所述設備的強制冷卻區結構示意圖之一，A為前視圖，B為頂視圖，C為左視圖；

圖3為本實用新型所述設備的強制冷卻區結構示意圖之二,A為前視圖，B為頂視圖，C為左視圖；

圖4為本實用新型所述設備的退火拔絲區結構示意圖,A為前視圖，B為頂視圖，C為左視圖；

圖5為本實用新型所述設備的緩冷區結構示意圖,A為前視圖，B為頂視圖，C為左視圖；

其中，1為料斗，2為擠出機，3為擠出頭，4為強制冷卻區，5為強制冷卻風扇，6為強制冷卻風罩，7為退火拔絲區，8和9為不同孔徑的拔絲孔，10為加熱器，11為溫度傳感器，12為緩冷區，13為緩冷風扇，14為緩冷風罩，15為滑動風擋，16為繞絲輪，17為繞絲機，18為線軸，19為控制器，20為機架。

具體實施方式

本發明人經過長期而深入的研究，發現目前國內3D打印耗材還在采用傳統的擠出、冷卻、繞絲工藝設備尺寸較大或者加工速度非常緩慢，不便于用作實驗室研發設備。而且對于FDM用一定半結晶或者非晶耗材難以制備。受到材料收縮率不同的限制，每種材料都需要一種特定孔徑的模具與之對應，通用性較差。本實用新型所述的3D打印用高溫耗材拉絲設備，在擠出機和繞絲設備之間依次設置強制冷卻區、退火拔絲區和緩冷區。強制冷卻區可以縮短冷卻區長度，而且方便半結晶和非晶材料制備，退火拔絲區采用金屬孔板拉絲的原理，將塑料加熱到一定溫度后使其具有較好的塑性，然后根據材料的收縮率不同，通過相應的拔絲孔。拔絲孔有多組，方便不同種類、不同尺寸規格耗材的制備。緩冷區用于降低拔絲加工產生的內應力。相對熔融溫度而言，塑料的熱塑性溫度較低，所以退火拔絲區的溫度也就較低，緩冷區的長度也就不用太長。綜上所述，可以實現減小設備冷卻區尺寸，提高設備通用性及加工速度的目的，從而完成了本實用新型。

以下結合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細描述。需理解，以下的描述僅為本實用新型的最優選實施方式，而不應當被認為是對于本實用新型保護范圍的限制。在充分理解本實用新型的基礎上，本領域技術人員可以對本實用新型的技術方案作出非本質的改動，這樣的改動應當被視為包括于本實用新型的保護范圍之中的。

如附圖1，耗材拉絲設備的結構示意圖所示，本發明提供了一種3D打印用高溫耗材拉絲設備，包括擠出機2、強制冷卻區4、退火拔絲區7、緩冷區12、繞絲機15、控制器19和機架20。塑料母粒放入料斗1后，通過擠出機加熱熔融后經傳動螺桿從擠出頭2擠出原絲，經過強制冷卻區4冷卻原絲(詳見圖2和3，強制冷卻區結構示意圖)，原絲進入退火拔絲區7后，根據尺寸要求，選擇合適的拔絲孔(8或9)得到所需要尺寸的絲(詳見圖4，退火拔絲區結構示意圖)，經過緩冷區12進一步冷卻，緩冷風罩14和滑動風擋15是同心的雙層結構，上面都有孔隙，當兩者孔隙對正時，風量最大，當兩者孔隙完全錯位時，風量最小，通過調節兩者的孔隙位置可以調節風量的大小(詳見圖5，緩冷區結構示意圖)。在繞絲機17的作用下，經過繞絲輪16后將最終耗材繞在線軸18上，完成整個拉絲工藝。通過控制器，可以控制設備的運行溫度、運行速度等參數。

本實用新型的優點包括：

與現有3D打印耗材拉絲設備相比，本實用新型所述3D打印用高溫耗材拉絲設備具有以下優點：

(1)體積更加小巧、加工速度更快、均勻性更好，對于半結晶、非晶材料的制備液更加方便；

(2)對不同材料的通用性較好，設置了不同的孔徑可供選擇，避免頻繁更換模具帶來的困擾，可滿足不同用戶，特別是實驗室研發型客戶的使用需求。

在本實用新型提及的所有文獻都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻被單獨引用作為參考那樣。此外應理解，在閱讀了本實用新型的上述講授內容之后，本領域技術人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。