CN104357990B - 成型丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在三维打印过程中构建三维物体的软弹性部分的成型丝，其包括芯线及包裹于芯线外的包裹层，即为包芯线结构；芯线与包裹层对应地由热塑性硬质材料与热塑性软质材料构成，或对应地由热塑性软质材料与热塑性硬质材料构成；在该成型丝中，由热塑性软质材料构成的部分的横截面与由热塑性硬质材料构成的部分的横截面的面积之比为大于等于1。该成型丝能够更好地在液化器内形成“液化器泵效应”，提高三维物体中软弹性部分的打印精度。此外，本发明还提供一种上述成型丝的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维打印用耗材及其制备方法，特别涉及一种用于在三维打印过程中构建三维物体软弹性部分的成型丝及其制备方法。
背景技术
三维打印机，是一种基于三维物体的数字模型，利用粉末状金属或塑料等材料，通过逐层打印的方式构造三维物体的设备。
公告号为CN1216726C的专利文献的背景技术中描述了一种以细丝的形式向打印头供给成型材料的三维打印机，参见图1，三维打印机01具有打印头011、供料装置012、导管013及载物台014；供料装置012具有一个缠绕有成型丝0123的供料盘0121；打印头011具有由电机0115驱动的一对供料滚轮0113与0114，液化器0111及设于液化器0111下端的打印喷嘴0112。供料盘0121被安装于三维打印机01的供料盘安装架的转轴0122上，从而将成型丝0123提供给打印头011。在使用过程中，将成型丝0123从供料盘0121上拉出，使被拉直的成型丝通过由摩擦阻力较小的材料制成的导管013，直至将成型丝供给到供料滚轮0113及0114，在供料滚轮0113及0114的驱动下，成型丝进入液化器0111，成型丝在液化器0111内经加热成熔融状态的成型材料，在后续成型丝推力的作用下，从打印喷嘴0112挤出并沉积于载物台014的载物面上。三维打印机01的控制单元通过控制打印头011在水平的X-Y平面内移动，同时控制载物台014沿垂向的Z轴移动，从而逐层地打印出三维物体。
在上述打印过程中，由电动机0115驱动的供料滚轮0113及0114推动成型丝进入液化器0111以产生一个所谓“液化器泵效应”，即成型丝本身相当于一个活塞，进入液化器0111内的成型丝挤压熔融状态的成型材料，使之按一定的体积速率从打印喷嘴挤出。现有标准成型丝的直径为3毫米或1.75毫米，通常三维打印机的打印喷嘴挤出的成型材料的直径介于0.1毫米-0.2毫米，根据从打印喷嘴挤出熔融状态成型材料的体积等于由供料滚轮推进液化器内成型丝的体积，送料滚轮每向液化器推进1单位长度3毫米或1.75毫米的成型丝，将从打印喷嘴挤出225单位长度或76.6单位长度直径为0.2毫米熔融状态的成型材料，900单位长度或306.25单位长度直径为0.1毫米熔融的成型材料。
对于由ABS、PLA、PA、PC或PP等热塑性硬质材料，或由它们与改性材料及添加剂制备成的热塑性硬质材料制成的硬质成型丝，可以通过控制推进液化器内的成型丝的速率来控制从打印喷嘴挤出成型丝的速率；但是，工业及生活中需要打印出的三维物件通常具有软弹性部分，现有三维打印机是采用TPE、TPU或TPV等热塑性软质材料，或采用它们与改性材料及添加剂制备成的热塑性软质材料制成的软质成型丝进行打印软弹性部分；但是，由于软质成型丝太软，其抗弯强度不够高，位于送料滚轮与液化器0111间的一段成型丝01231在送料滚轮的推力作用下而弯曲，难以在液化器内产生“液化器泵效应”，通常需要提高液化器的加热温度，并靠熔融状态成型材料的自身重力而流出打印喷嘴，不仅无法控制成型材料的流出速率，而且相对更高温的熔融状态成型材料不利于打印后的冷却固化，降低三维物体中软弹性部分的打印精度。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种便于在液化器中形成“液化器泵效应”的成型丝，旨在提高三维物体中软弹性部分的打印精度；
本发明的另一目的是提供一种上述成型丝的制备方法。
为了实现上述主要目的，本发明提供一种用于在三维打印过程中构建三维物体的软弹性部分的成型丝，其包括芯线及包裹于芯线外的包裹层，即该成型丝为一包芯线结构；芯线与包裹层对应地由热塑性硬质材料与热塑性软质材料构成，或对应地由热塑性软质材料与热塑性硬质材料构成；在该成型丝中，由热塑性软质材料构成的部分的横截面与由热塑性硬质材料构成的部分的横截面的面积之比大于等于1。
由以上方案可见，由于成型丝为包芯线结构，其中热塑性硬质材料构成的部分结构形成整个成型丝的支撑结构，提高位于送料滚轮与液化器间一段成型丝的抗弯强度，通过送料滚轮的作用，能够更好地在液化器内形成“液化器泵效应”；此外，由于成型丝中至少一半以上的成分为热塑性软质材料，其与热塑性硬质材料在液化器内受热熔融后混合形成的熔融状态成型材料具有软弹性性能，可以用来打印三维物体中的软弹性部分，与现有成型丝相比，用其打印出三维物体中软弹性部分的精度更高。
一个具体的方案为热塑性硬质材料为ABS、PLA、PA、PP、PC中第一种或几种的组合，热塑性软质材料为TPE、TPU、TPV中一种或几种的组合。
另一个具体的方案为热塑性硬质材料为ABS和/或PLA；按重量百分比，热塑性软质材料包括，
TPE、TPU和/或TPV 20%-90%；
聚烯烃 4%-45%；
软化剂 0%-35%；
添加剂 0.1%-0.5%。
由以上方案可见，当成型丝在液化器内受热熔融后，混合形成的成型丝由于具有一定含量的ABS和/或PLA，提高其与硬质成型丝的粘接力。
更具体的方案为软化剂为白矿油或石蜡油；添加剂为相容剂、增塑剂、粘合剂、脱模剂中一种或几种的组合。
一个优选的方案为芯线的熔点高于包裹层的熔点。
另一个优选的方案为芯线的横截面包括一基圆及多个凸起，该凸起自基圆的圆周向外延伸。由于芯线的横截面为非圆形，使得在同等横截面面积的条件下，可以为成型丝提供更大的抗弯强度，更容易制备出低硬度的成型丝。
再一个优选的方案为在包芯线结构中，由热塑性软质材料构成的部分的横截面与由热塑性硬质材料构成的部分的横截面的面积之比为1至24。
一个更优选的方案为芯线由热塑性硬质材料构成，包裹层由热塑性软质材料构成；在包芯线结构中，由热塑性软质材料构成的部分的横截面与由热塑性硬质材料构成的部分的横截面的面积之比为1至8。由于比例适中，更适于制备直径规格为3毫米或1.75毫米的成型丝。
另一个更优选的方案为芯线由热塑性软质材料构成，包裹层由热塑性硬质材料构成；在包芯线结构中，由热塑性软质材料构成的部分的横截面与由热塑性硬质材料构成的部分的横截面的面积之比为1至6.08。由于比例适中，更适于制备直径规格为3毫米或1.75毫米的成型丝。
为了实现上述另一目的，本发明提供一种用于制备上述成型丝的方法，该方法包括以下步骤，拉丝步骤，将构成芯线的材料通过细丝成形技术拉成规定直径的芯线；包裹步骤，待芯线冷却至室温后，将构成包裹层的材料通过包裹技术在芯线外形成规定层厚的包裹层。
附图说明
图1是一种现有三维打印机的结构示意图；
图2是本发明成型丝第一实施例的横截面示意图；
图3是本发明成型丝的制备方法第一实施例的制备流程图；
图4是本发明成型丝第二实施例的横截面示意图；
图5是本发明成型丝第三实施例的横截面示意图；
图6是本发明成型丝第四实施例的横截面示意图；
图7是一种现有细丝成形设备的结构示意图；
图8是一种现有细丝包裹成形设备的结构示意图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
以下各具体实施例中以制备3毫米或1.75毫米的成型丝为例，对本发明的具体实施方式进行说明。其中，热塑性硬质材料可选自ABS、PLA、PA、PP、PC等中一种或几种的组合，也可选自ABS、PLA、PA、PP、PC等中一种或几种的组合与改性材料和/或添加剂等一起制备成的热塑性硬质材料；热塑性软质材料可选自TPE、TPU、TPV等中一种或几种的组合，也可选自TPE、TPU、TPV等中一种或几种的组合与改性材料和/或添加剂等一起制备成的热塑性软质材料。
具体实施方式
成型丝及其制备方法第一实施例
参见图2，成型丝1为一包芯线结构，由芯线11及包裹于芯线11外的包裹层12构成，芯线11的直径为2.68毫米，包裹层12的外径为3.00毫米，即芯线11的横截面与包裹层12的横截面的面积之比为3.95。
参见图3，成型丝1的制备方法由拉丝步骤S1及包裹步骤S2构成。
拉丝步骤S1，将用于制备芯线的TPE通过细丝成形技术拉成直径为2.68毫米的芯线。
包裹步骤S2，待芯线冷却至室温后，将用于制备包裹层的PLA通过包裹技术在芯线外形成一层层厚为0.16毫米的包裹层。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为3.95。
成型丝及其制备方法第二实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第二实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第一实施例的不同之处进行说明。
参见图4，成型丝2的芯线21由PLA经拉丝步骤制成，包裹层22由TPE经包裹步骤而形成于芯线21外；其中，芯线21的直径为1.50毫米，包裹层的外径为3.00毫米，即包裹层22的横截面与芯线21的横截面的面积之比为3.00。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为3.00。
成型丝及其制备方法第三实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第三实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第二实施例的不同之处进行说明。
参见图5，成型丝3的芯线31的横截面为十角星形，包裹层32的内表面与芯线31的外表面相匹配。由于芯线31由热塑性硬质材料PLA经拉丝步骤制成，该结构在相同横截面面积条件下，比圆形横截面具有更好的抗弯强度，从而可以制备满足低硬度要求的成型丝。
成型丝及其制备方法第四实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第四实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第三实施例的不同之处进行说明。
参见图6，成型丝4的芯线41的横截面为十字形，包裹层42的内表面与芯线41的外表面相匹配。
成型丝及其制备方法第五实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第五实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第一实施例的不同之处进行说明。
构成芯线的材料为由TPE与添加剂等材料混合得到的热塑性软质材料，按重量百分比，各组分及其含量如下：
TPE 20%-90%；
聚烯烃 4%-45%；
软化剂 0%-35%；
添加剂 0.1%-0.5%。
其中软化剂可选自白矿油或石蜡油，添加剂可选自相容剂、增塑剂、粘合剂和/或脱模剂中一种或几种的组合。
在成型丝制备方法的拉丝步骤中，先将TPE、聚烯烃、软化剂及添加剂按相应的重量百分比混合均匀，再使用细丝成形技术拉成规定直径的芯线。
当该成型丝在液化器内受热熔融后，PLA与热塑性软质材料混合形成的熔融状态的成型材料，可以增加其与硬质成型材料的粘接力。
成型丝及其制备方法第六实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第六实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第一实施例的不同之处进行说明。
芯线的直径为2.60毫米，包裹层的外径为3.00毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为3.02。
成型丝及其制备方法第七实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第七实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第一实施例的不同之处进行说明。
芯线的直径为2.46毫米，包裹层的外径为3.00毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为2.05。
成型丝及其制备方法第八实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第八实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第一实施例的不同之处进行说明。
芯线的直径为2.12毫米，包裹层的外径为3.00毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为1.00。
成型丝及其制备方法第九实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第九实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第一实施例的不同之处进行说明。
芯线的直径为2.74毫米，包裹层的外径为3.00毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为5.03。
成型丝及其制备方法第十实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第十实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第一实施例的不同之处进行说明。
用PC替代PLA，用TPV替代TPE，芯线的直径为2.78毫米，包裹层的外径为3.00毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为6.08。
成型丝及其制备方法第十一实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第十一实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第一实施例的不同之处进行说明。
用PC替代PLA，用TPV替代TPE，芯线的直径为2.80毫米，包裹层的外径为3.00毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为6.76。
成型丝及其制备方法第十二实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第十二实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第一实施例的不同之处进行说明。
用PC替代PLA，用TPV替代TPE，芯线的直径为2.86毫米，包裹层的外径为3.00毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为9.97。
成型丝及其制备方法第十三实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第十三实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第二实施例的不同之处进行说明。
用PP替代PLA，用TPV替代TPE，芯线的直径为0.60毫米，包裹层的外径为3.00毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为24。
成型丝及其制备方法第十四实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第十四实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第二实施例的不同之处进行说明。
用PP替代PLA，用TPV替代TPE，芯线的直径为0.80毫米，包裹层的外径为3.00毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为13.06。
成型丝及其制备方法第十五实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第十五实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第二实施例的不同之处进行说明。
用PP替代PLA，用TPV替代TPE，芯线的直径为0.90毫米，包裹层的外径为3.00毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为10.11。
成型丝及其制备方法第十六实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第十六实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第二实施例的不同之处进行说明。
用PA替代PLA，用TPU替代TPE，芯线的直径为1.00毫米，包裹层的外径为3.00毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为8。
成型丝及其制备方法第十七实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第十七实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第二实施例的不同之处进行说明。
用PA替代PLA，用TPU替代TPE，芯线的直径为2.12毫米，包裹层的外径为3.00毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为1.00。
成型丝及其制备方法第十八实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第十八实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第二实施例的不同之处进行说明。
用PA替代PLA，用TPU替代TPE，芯线的直径为0.78毫米，包裹层的外径为1.75毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为4.01。
成型丝及其制备方法第十九实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第十九实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第二实施例的不同之处进行说明。
用ABS替代PLA，用TPU替代TPE，芯线的直径为0.70毫米，包裹层的外径为1.75毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为5.25。
成型丝及其制备方法第二十实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第二十实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第二实施例的不同之处进行说明。
用ABS替代PLA，用TPU替代TPE，芯线的直径为0.66毫米，包裹层的外径为1.75毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为5.93。
成型丝及其制备方法第二十一实施例
作为对本发明成型丝及其制备方法第二十一实施例的说明，以下仅对与上述成型丝及其制备方法第二实施例的不同之处进行说明。
用ABS替代PLA，用TPU替代TPE，芯线的直径为0.62毫米，包裹层的外径为1.75毫米。
在本例成型丝中，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为7.01。
在上述各成型丝制备实施例中，在拉丝步骤中采用公告号为CN10055896C的专利文献中所公告的细丝成形设备及方法将原料混合物在细丝成形设备中拉成规定直径的芯线。
参见图7，该细丝成形设备5由螺杆挤压机51、空气刀52、冷却器53、双轴激光测微仪54、拉出器55、控制器56及卷盘57构成。螺杆挤压机51由伺服电机511、加热筒512、料斗513、螺杆514及模具515构成。拉丝步骤为将混合步骤混合得到的原料混合物02放入螺杆挤压机的料斗513内，芯线原料混合物02被送入加热筒512内并被加热至融化，伺服电机511带动螺杆514驱动融化的原料混合物以一定的压力及流速流向模具515，从模具515的出料口挤出细丝03，挤出的细丝03在拉出器55的张力的作用下穿过空气刀52、冷却器53及双轴激光测微仪54。拉出器55内的电机在控制器56的控制下驱动滚轮551、滚轮552、滚轮553及滚轮554，从而对细丝03施加张力。控制器56根据双轴激光测微仪54对细丝03冷却后的直径dF进行测量，从而控制张力的大小，实现对最后制备出的细丝的直径进行准确控制。经过冷却制得的细丝即为芯线61，通过控制卷盘57的转速，从而将芯线61缠绕于卷盘57上。
在包裹步骤中，采用如图8所示的一种现有细丝包裹形成设备在芯线外包裹一层规定层厚的包裹层。
参见图8，包裹形成设备7具有螺杆挤压机71及包裹装置72，料斗713中的包裹层原料混合物05被送入加热筒内并被加热至熔融状态，伺服电机带动螺杆驱动熔融状态的原料混合物以一定的压力及流速流向包裹装置72的进料口721，并进入包裹腔723内。在拉丝步骤制得的芯线61经冷却至室温后，从包裹装置72的进丝口722进入包裹腔723内，在包裹腔内熔融状态的包裹材料将包裹于芯线61外，并从包裹装置72的出丝口724被挤出，被挤出的细丝6包括芯线61及包裹层62，细丝6经与上述拉丝步骤中细丝从模具515的出料口被挤出的步骤相类似的工序，可制得上述个实施例的成型丝。为了便于控制成型丝的精度，可优选制备出的成型丝为芯线熔点高于包裹层熔点。
本发明的主要构思是通过制备出具有包芯线结构的成型丝，用热塑性硬质材料制成的芯线或包裹层相对提高成型丝的抗弯强度，使其更容易在液化器内形成“液化器泵效应”，根据本构思，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积之比为并不局限于上述各实施例，该比例由目标成型丝的硬度、热塑性硬质材料的硬度及热塑性软质材料的硬度所决定；随着成型丝的直径变大，由热塑性软质材料构成部分的横截面与由热塑性硬质材料构成部分的横截面的面积的比值可以继续增大；此外，芯线横截面的形状并不局限于上述各实施例。
Claims (10)
1.成型丝，在三维打印过程中受热熔融后，用来打印三维物体的软弹性部分；
其特征在于：
所述成型丝包括芯线及包裹于所述芯线外的包裹层；
所述芯线与所述包裹层对应地由热塑性硬质材料与热塑性软质材料构成，或对应地由热塑性软质材料与热塑性硬质材料构成；
在所述成型丝中，由所述热塑性软质材料构成的部分的横截面与由所述热塑性硬质材料构成的部分的横截面的面积之比大于等于1。
2.根据权利要求1所述成型丝，其特征在于：
所述热塑性硬质材料为ABS、PLA、PA、PP、PC中一种或几种的组合；
所述热塑性软质材料为TPE、TPU、TPV中一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述成型丝，其特征在于：
所述热塑性硬质材料为ABS和/或PLA；
按重量百分比，所述热塑性软质材料包括，
TPE、TPU和/或TPV 20%-90%；
聚烯烃 4%-45%；
软化剂 0%-35%；
添加剂 0.1%-0.5%。
4.根据权利要求3所述成型丝，其特征在于：
所述软化剂为白矿油或石蜡油；
所述添加剂为相容剂、增塑剂、粘合剂、脱模剂中一种或几种的组合。
5.根据权利要求1至4任一项所述成型丝，其特征在于：
所述芯线的熔点高于所述包裹层的熔点。
6.根据权利要求1至4任一项所述成型丝，其特征在于：
所述芯线的横截面包括一基圆及多个凸起，所述凸起自所述基圆的圆周向外延伸。
7.根据权利要求1至4任一项所述成型丝，其特征在于：
所述面积之比为1至24。
8.根据权利要求7所述成型丝，其特征在于：
所述芯线由所述热塑性硬质材料构成，所述包裹层由所述热塑性软质材料构成；
所述面积之比为1至8。
9.根据权利要求7所述成型丝，其特征在于：
所述芯线由所述热塑性软质材料构成，所述包裹层由所述热塑性硬质材料构成；
所述面积之比为1至6.08。
10.成型丝的制备方法，用于制备权利要求1至9任一项所述成型丝；
该方法包括：
拉丝步骤，将构成芯线的材料通过细丝成形技术拉成规定直径的芯线；
包裹步骤，待芯线冷却至室温后，将构成包裹层的材料通过包裹技术在芯线外形成规定层厚的包裹层。
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