3d打印用高分子材料擠出裝置及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料擠出裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及3D打印用高分子材料擠出裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印技術(shù)的發(fā)展目前在很大程度上受到打印材料的限制，包括材料的制造成本、打印性能、使用性能、以及經(jīng)濟、社會、和環(huán)境等方面的因素。本項目以此為背景，著重于研宄設(shè)計可自主熔融合成制絲的3D打印機配套裝置，對PLA材料改進方式和強化機理等方面的資料查閱和研宄統(tǒng)計，以此來研宄適用于FDM三維成型技術(shù)的聚乳酸(PLA)高分子成型材料的物理化學(xué)性能。
[0003]3D打印技術(shù)，又稱“增材制造”，是一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反的，基于三維數(shù)字模型的，通常采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的工藝。
[0004]1984年Charles Hull制作出第一臺3D打印機，在之后幾年相繼出現(xiàn)多種增材制造技術(shù)。1993年，麻省理工學(xué)院教授發(fā)明Three-Dimens1nal Printing技術(shù)，次年正式用于生產(chǎn)3D打印機。此后，多家公司利用3D打印機生產(chǎn)出假肢，人造血管，無人機，汽車。至此，3D打印技術(shù)歷經(jīng)了近30年的發(fā)展，正逐步成為最有生命力的先進制造技術(shù)之一。
[0005]現(xiàn)階段3D打印有四種主要技術(shù)，第一類叫熔融擠壓堆積成型(FDM)，將原材料沉積為層，通過某種打印頭擠壓液體膠狀物或粉末狀的原材料。第二類是激光燒結(jié)，通常是是利用激光或在原材料中加入某種黏合劑將原材料粘合在一起。第三類是三維噴涂粘結(jié)成型，將粉末由儲存桶送出，再以滾筒將送出之粉末在加工平臺上鋪上一層很薄的原料，依照3D電腦模型噴出黏著劑，如此循環(huán)便可得到所要的形狀。第四類是噴墨成型。相比于后三類，F(xiàn)DM有其獨特的優(yōu)勢，它適合在家庭或辦公室使用，系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單；維護成本低，系統(tǒng)運行安全；可以直接用于失蠟鑄造；可以成型任意復(fù)雜程度的零件；支撐去除簡單，無需化學(xué)清洗。
[0006]國內(nèi)方面，北京航空航天大學(xué)對短切玻璃纖維增強ABS復(fù)合材料進行改性研宄使其適用于FDM工藝。清華大學(xué)機械系激光快速成形中心研宄的熔融沉積制造(MEM)工藝，著重于特殊噴嘴和設(shè)備開發(fā)，成功開發(fā)了 FDM用蠟絲和ABS絲狀材料。大連理工大學(xué)采用集成了 LOM和FDM兩種快速成形工藝的M-RPMS-1I型多功能快速成形系統(tǒng)，但該系統(tǒng)仍存在缺陷，支撐材料難以去除，并且會導(dǎo)致原型表面粗糙。北京化工大學(xué)用成分不同的ABS材料做成型材料和支撐材料，使支撐材料很容易剝離成型材料。目前，國內(nèi)尚未有單位在FDM支撐材料方面進行研宄。
[0007]國外方面美國明尼蘇達州Stratasys公司從1987年開始研宄FDM技術(shù)，在1989年制成第一臺3DM0dele樣機，并不斷根據(jù)業(yè)界的需求，設(shè)計多種3D打印機以供選擇，近期更是推出大型的原型機系統(tǒng)——FDM8000。Stratasys公司是世界上最大的FDM生產(chǎn)廠商，該公司不斷的改進開發(fā)FDM技術(shù)和熱塑性材料。2001年Stratasys公司發(fā)表了支持FDM技術(shù)的高強度工程材料PC，2002又發(fā)表了支持FDM技術(shù)的適合高溫的工作環(huán)境工程材料PPSF。隨后，Stratasys公司開發(fā)了結(jié)合了 PC的強度以及ABS的韌性工程材料混合物PC-ABS。
[0008]擠出成型是高分子材料加工領(lǐng)域中變化眾多、生產(chǎn)率高、適應(yīng)性強、用途廣泛、所占比重最大的成型加工方法。擠出成型工藝適合于所有的高分子材料。以擠出為基礎(chǔ)，配合吹脹、拉伸等技術(shù)則發(fā)展為擠出一吹塑成型和擠出一拉幅成型制造中空吹塑和雙軸拉伸薄膜等制品?？梢姅D出成型是塑料成型最重要的方法。共擠出技術(shù)是用兩臺或者兩臺以上單螺桿擠出機或雙螺桿擠出機將兩種或多種聚合物同時擠出并在一個機頭中成型多層板式或片狀結(jié)構(gòu)等的一步法加工過程。共擠出技術(shù)是當(dāng)代廣泛應(yīng)用的先進的聚合物加工方法，共擠出技術(shù)已廣泛應(yīng)用于復(fù)合管材、復(fù)合薄膜、板材、異型材、光纖、電線、電纜等復(fù)合制品的生產(chǎn)，隨著共擠出技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域會進一步拓寬。開發(fā)高效、節(jié)能、簡便的擠出設(shè)備是共擠出設(shè)備的發(fā)展趨勢。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明的目的是提供一種簡便3D打印用高分子材料擠出裝置。
[0010]高分子擠出裝置的搭建如下圖1-3。
[0011]本發(fā)明的一種簡便3D打印用高分子材料擠出裝置，其特征在于，主要由料斗(1)、熱電偶⑵、螺桿(3)、加熱圈(4)、機筒(5)、螺旋葉片(6)、接料架(7)、手柄⑶；螺桿(3)同軸位于圓筒形機筒(5)的中心位置，螺桿(3)與機筒(5)外的手柄(8)連接，機筒(5)在手柄(8)這一側(cè)的端面設(shè)有帶圓孔的蓋，螺桿(3)穿過圓孔且可任意沿自身軸轉(zhuǎn)動，機筒
(5)的另一端安裝有漏斗形的的擠出口部分，漏斗中心設(shè)有開口，稱為擠出口(9)，擠出口與接料架(7)相連，用于承接擠出的絲狀材料；機筒(5)內(nèi)螺桿(3)上固定有一螺旋葉片
(6)，螺旋葉片的直徑與機筒內(nèi)徑相同；機筒(5)的外面設(shè)有加熱圈(4)，加熱圈(4)上設(shè)有熱電偶(2)，在靠近手柄(8)這一側(cè)的機筒(5)側(cè)面安裝有料斗(I)與機筒(5)內(nèi)部連通。
[0012]加熱圈升溫到材料的熔化溫度，如塑料的200°C，材料粉不斷由料斗倒入，旋轉(zhuǎn)手柄，塑料粉經(jīng)加熱熔化，并在螺旋葉片的推動下在擠出口擠出絲狀材料，由表面光滑的接料架承接材料并在將空氣中快速冷凝成型。
[0013]此擠出機可利用塑料粉進行熔融制絲，減少加工成本等，從而可以直接用于FDM設(shè)備，也可用于進行更多的PLA改性試驗，提高材料性能。
[0014]利用此發(fā)明可進行PLA改性實驗，根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)測定PLA材料的物理化學(xué)參數(shù)，實現(xiàn)對現(xiàn)存PLA材料各方面性能的對比，為后續(xù)改性與測試分析提供基礎(chǔ)。從強度、韌性、以及耐熱性等三個方面對PLA材料進行改良，并對改良后的PLA材料進行全面的物理化學(xué)性能參數(shù)測試與分析。從而建立起完整的改性工藝與改良性能數(shù)據(jù)，為后續(xù)其他研宄項目的開展以及材料的市場推廣提供理論依據(jù)及研宄基礎(chǔ)。對PLA材料改進方式和強化