CN104552954A - 一种3d打印线材的加工工艺及加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印线材的加工工艺及加工设备，采用饥饿式喂料方式进行喂料，该饥饿式喂料方式是在喂料前通过小螺杆喂料装置调整粒料落入挤出机的螺杆速度来实现的，并且该小螺杆喂料装置的喂料速度和挤出机螺杆的转速保持一定速比持续运转，在主挤出机的下料口处通过调节主料的流入速度和不同辅料的添加速度之比实现原料的添加，并且根据不同辅料的加入时间和转速比实现间断式多色挤出。其加工设备包括料筒和位于料筒正下方的挤出机。通过该技术能够避免了在挤压的时候挤出机的螺杆出现抱死的问题，并能够生产出具有多种颜色的3D打印机线材。

Description

一种3D打印线材的加工工艺及加工设备

技术领域

本发明涉及三维打印技术领域，特别是涉及适用于聚乳酸材料制成的3D打印机耗材的加工工艺技术。

本发明的另一个方面涉及到利用聚乳酸材料制备3D打印机线材的加工设备。

背景技术

3D 打印机又称三维打印机，是一种利用快速成形技术的机器，以数字模型文件为基础，采用成型材料，通过逐层打印的方式来构造三维的实体。在打印前，需要利用计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导 3D 打印机逐层打印。3D打印机在产品制造业获得了广泛的应用，3D打印机的工作原理和传统打印机基本相同，由控制组件、机械组件、打印头、耗材（即成型材料）和介质等组成，打印原理也基本类似。

多色模型文件设计难度高，要求使用者有较高的设计能力，FDM3D打印机的多头多色挤出设备尚不成熟。3D打印技术早在20多年前就开始出现，特别是近年由于FDM（熔融沉积挤出成型）桌面级3D打印机的出现，让更多人认识、使用而普及。但FDM成型方式相对落后于粉末成型，粉末成型可一层接一层的喷涂粉末和颜色，可制作出颜色相当丰富多彩的模型，而FDM的模型颜色相对单一。

近年来有些厂家推出了双挤出头的FDM 类3D打印机，每个挤出头可带一种颜色线材进料，可打出2种颜色交错的模型，但模型的文件设计要求用户熟悉三维软件使用，要求较高，网上的此类免费模型文件资源数量也非常有限，很大的限制了用户制作多色模型。

现有的3D线材生产工艺一般采用饱和式喂料生产方式来生产，但是多色耗材难度大，挤出线径不稳定。聚乳酸作为3D打印机耗材的重要一种，其返工料在饱和式喂料加工过程中常常出现问题。

目前，常用线径有3.0mm和1.75mm实心圆条，线径较小对挤出流量稳定性要求非常高，整个挤出和冷却定型过程没有模具定型，且饱和式喂料受粒料的重力作用影响较大，随着料斗内粒料重量变化，挤出流量也会有变化，这就要求技术工人每隔小段时间注意线材变化而调整牵引速率。聚乳酸作为3D打印机耗材的重要一种，普通单螺杆挤出机对于聚乳酸返工料加工有一定困难，聚乳酸熔融挤出后为非晶态，软化点低、不到50度（即使在进料段有冷水冷却），硬度非常大，并且导热性差，饱和式喂料时常常发现聚乳酸在第一和第二段加热间抱紧螺杆阻挡料筒来的料不向前挤出流动。

使用以上方法生产单丝多色耗材时，提前配好不同颜色的物料，不管是否拆去料筒，喂不同颜色物料时，需要等前面颜色物料在螺杆内前行后再加入后一颜色物料，此种方法导致挤出量较为不稳定，挤出线径也不稳定。

为了解决上述的问题，采用多台单螺杆挤出机协同一个模具挤出多色线材，并不能在3D打印实现真正的多色效果，而且造价高昂。

总的来说，现有的3D线材加工工艺及设备都不能满足社会的生产需求，急需一种简单而且实用的3D线材生产工艺和设备。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明一方面提出一种3D打印线材加工工艺，其目的是解决现有通用饱和式喂料工艺生产3D线材是容易出现抱死螺杆并且难以加工多颜色的3D线材的问题。

    为了解决上述的技术问题，本发明提出的基本技术方案为：一种3D打印线材的加工工艺，采用饥饿式喂料方式进行喂料，在主挤出机的下料口处通过调节主料的流入速度和不同辅料的添加速度之比以及辅料种类实现原料的添加，并且根据不同辅料的加入时间和转速比实现间断式多色挤出。

    优选的，本发明所述的3D打印线材的加工工艺中，添加不同辅料的添加时间间隔介于1秒至10分钟之间。

    优选的，本发明所述的3D打印线材的加工工艺中，添加辅料是单独一种添加或者两种同时添加或者三种同时添加或者多种单个依序添加。

    优选的，本发明所述的3D打印线材的加工工艺中，两种辅料添加时的添加设备的转速比为1：1至100：1。

    优选的，本发明所述的3D打印线材的加工工艺中，主挤出机的转速和添加主料的设备的转速比为1:1至1000:1。

    优选的，本发明所述的3D打印线材的加工工艺中，添加主料的设备的转速与添加辅料的设备的转速比为1：1至100：1。

    另外，本发明还提出一种3D打印线材的加工设备，其目的是提供一种适用于饥饿式喂料的3D打印机线材生产的设备，能够生产在不同截面每间隔一定长度上具有不同颜色的3D打印机线材。该3D打印线材的加工设备包括料筒和位于料筒正下方的挤出机，所述料筒的料口处设置结构相同的一主料喂料装置和至少一个辅料喂料装置，该主料喂料装置包括小螺杆和连接该小螺杆并驱动该小螺杆转动的喂料电机，该小螺杆和挤出机的螺杆的转速保持一定速比持续运转。

进一步的，本发明所述的3D打印线材的加工设备中，挤出机的螺杆和辅料喂料装置的转速比为1：1至1：100。

    进一步的，本发明所述的3D打印线材的加工设备中，该3D打印线材的加工设备包括一个所述的辅料喂料装置或者两个同时运转的辅料喂料装置或者三个同时转动的辅料喂料装置。

进一步的，本发明所述的3D打印线材的加工设备中，相邻的辅料喂料装置的转速比为为1：1至100：1。

本发明的有益效果是：

本发明的技术方案采用饥饿式的喂料方式来进行加料生产3D打印机线材，其能够避免了在加工聚乳酸线材时挤出机的螺杆出现抱死的问题，并且减少粒料对挤出机的螺杆的磨损。再者，本发明中包括有添加辅料的功能，由于是采用饥饿式的喂料方式来生产线材，因此在加入辅料的过程中不会对整个挤压线材直径产生影响；另外，由于采用了系列喂料系统包括多个辅料喂料装置，实现多个辅料喂料装置单独多个运行、两两同时运行或者三个同时运行等；而在辅料喂料装置中加入不同的色粉或者树脂或者助剂稀释后的色粉，能够生产出具有多种颜色的3D打印机线材，也可以提高3D打印机线材的质量可观性，极大满足3D打印的需求。

附图说明

图1为本发明所述3D打印线材的加工设备的原理示意图；

图2为3D打印线材的加工设备的实施例一的结构示意图；

图3为3D打印线材的加工设备的实施例二的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图1至附图3对本发明做进一步的说明，但不应以此来限制本发明的保护范围。

对照附图1至附图3：

本发明一种3D打印线材的加工工艺的基本加工流程为：

S1：往料筒内加入粒料和各种辅料；

S2：采用饥饿式喂料方式进行喂料，即在喂料前通过主料喂料装置调整粒料落入挤出机的螺杆速度来实现的，并且该主料喂料装置的喂料速度和挤出机螺杆的转速保持一定速比持续运转。

其中，喂料过程中往挤出机的螺杆内添加的辅料过程包括多个系列独立添加辅料的步骤，并且相邻系列的辅料的添加时间间隔介于1秒至10分钟之间。采用该技术的目的是，第一解决以往生产过程中会对挤出机的螺杆造成抱死的问题；第二是，能够实现多颜色的3D打印机线材。

本方法的技术方案中，包括至少两系列的能够独立添加的辅料，也就是说，可以是多个辅料单独依序添加，或者两种辅料同时添加，三种辅料同时添加或者更多种辅料同时添加；也可以是每个系列由两种辅料组成，并且包括有至少两个系列，当然可以是两个系列，三个系列或者更多；同时也可以是每个系列由三种辅料组成，并且包括两个系列或者三个系列或者四个系列等。其中，两种辅料添加速比为1：1至100：1；主挤出机的转速和添加主料的设备的转速比为1:1至1000:1；添加主料与添加辅料的速比为1：1至100：1；通过这样的生产工艺组合，可以根据需要不同的颜色需求，可以生产多色打印线材。

其中，辅料可以是树脂、色粉等，其中树脂可以是PLA，ABS，PC，PET，PETG等，可以为纯原料未加助剂，也可为添加一定助剂，可为不加色粉或添加了白色或其他色粉混合；色粉分为冷与暖色调，冷色包括绿色和蓝色系，暖色系包括红色系，黄色系为冷色系和暖色之间的过渡色，辅料系列的交叉运转时，每相邻两个或两组交替运转时，不能是冷色系和暖色系，否则会出现暗沉的棕黑色。

为了实现上述的3D打印机线材的加工工艺，使用一种相适应的设备。

 一种3D打印线材的加工设备包括料筒10和位于料筒10正下方的挤出机20，所述料筒10的料口处设置一主喂料装置30和多个辅料喂料装置，该主喂料装置30和辅料喂料装置的结构相同。该主喂料装置30包括小螺杆301和连接该小螺杆301并驱动该小螺杆301转动的喂料电机302，该小螺杆301和挤出机20的螺杆201的转速保持一定速比持续运转。

具体的，辅料喂料装置是通过导管连接至挤出机20的，所述挤出机的螺杆和辅料喂料系统的转速比为1：1至1：100。

因为本发明中使用的多个辅料喂料装置，因此将该多个辅料喂料装置40统称为C1-X。C1-X包括一个所述的辅料喂料装置或者两个同时运转的辅料喂料装置或者三个同时转动的辅料喂料装置；再者，C1-X系列之间的每两个辅料喂料装置的速比可以为1：1至100：1，或者两两配对的比例为1：1至100：1，或多个搭配的比例为1：1至100：1。所述小螺杆301、挤出机20的螺杆201和辅料喂料装置的螺杆为单一螺杆或双螺杆或三螺杆。

实施例一

3D打印线材的加工设备包括料筒和位于料筒正下方的挤出机，所述料筒的料口处设置一主喂料装置30A和多个辅料喂料装置，该主喂料装置30A的小螺杆和挤出机的螺杆的转速保持一定速比持续运转；在挤出机上方还包括有五个辅料喂料装置，分别为第一辅料喂料装置C01、第二辅料喂料装置C02、第三辅料喂料装置C03、第四辅料喂料装置C04以及第五辅料喂料装置C05。具体的，将聚乳酸原料添加助剂混合投入B料筒，采用色粉为红、绿、黄、蓝、橙5种颜色各为10克，分别与800克聚乳酸原料均匀混合，稀释后的色粉分别投入第一辅料喂料装置C01、第二辅料喂料装置C02、第三辅料喂料装置C03、第四辅料喂料装置C04以及第五辅料喂料装置C05对应的料筒内，将挤出机和各个辅料喂料装置的变频器分别调为23和2.3HZ，机器转动，色粉投入顺序为红-橙-黄-绿-蓝-黄-红，并定义为C1-C5-C3-C2-C4-C3-C1，每相邻两个相隔5秒启动转动，前面的辅料喂料装置停下时，后一个即开始转动，每个持续转动时间为3秒，可做出红橙黄绿蓝黄红间隔嵌段颜色均匀分布的多色线材。图2中，C01代表添加红色色粉的第一辅料喂料装置，其它如此类推。

实施例二

对照图3：将干燥好的聚乳酸原料加助剂混合投入料筒，采用色粉为红绿黄3种各为10克，色粉分别与800克干燥好的聚乳酸原料均匀混合稀释，再依次投入辅料喂料装置的料筒内，将挤出机和主喂料装置的变频器分别调为23和2.3HZ，机器转动，稀释后的色粉添加为红-黄-绿-黄-红，定义为C1-C3-C2-C3-C1，每相邻两个相隔10秒启动转动喂料，前一个停下时后一个转动喂料，从单螺杆挤出机可以挤出红-黄-绿三色嵌段渐变的3D打印线材。其中，图中的C1代表加了红色色粉的辅料喂料装置，C2和C3如此类推。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种3D打印线材的加工工艺，采用饥饿式喂料方式进行喂料，其特征在于：在主挤出机的下料口处通过调节主料的流入速度和不同辅料的添加速度之比以及辅料种类实现原料的添加，并且根据不同辅料的加入时间和转速比实现间断式多色挤出。

2.如权利要求1所述的3D打印线材的加工工艺，其特征在于：添加不同辅料的添加时间间隔介于1秒至10分钟之间。

3.如权利要求2所述的3D打印线材的加工工艺，其特征在于：添加辅料是单独一种添加或者两种同时添加或者三种同时添加或者多种单个依序添加。

4.如权利要求3所述的3D打印线材的加工工艺，其特征在于：两种辅料添加时的添加设备的转速比为1：1至100：1。

5.如权利要求1所述的3D打印线材的加工工艺，其特征在于：主挤出机的转速和添加主料的设备的转速比为1:1至1000:1。

6.如权利要求1所述的3D打印线材的加工工艺，其特征在于：添加主料的设备的转速与添加辅料的设备的转速比为1：1至100：1。

7.一种3D打印线材的加工设备，包括料筒和位于料筒正下方的挤出机，其特征在于：所述料筒的料口处设置结构相同的一主料喂料装置和至少一个辅料喂料装置，该主料喂料装置包括小螺杆和连接该小螺杆并驱动该小螺杆转动的喂料电机，该小螺杆和挤出机的螺杆的转速保持一定速比持续运转。

8.如权利要求7所述的3D打印线材的加工设备，其特征在于：挤出机的螺杆和辅料喂料装置的转速比为1：1至1：100。

9.如权利要求7或8所述的3D打印线材的加工设备，其特征在于：该3D打印线材的加工设备包括一个所述的辅料喂料装置或者两个同时运转的辅料喂料装置或者三个同时转动的辅料喂料装置。

10.如权利要求7或8所述的3D打印线材的加工设备，其特征在于：相邻的辅料喂料装置的转速比为为1：1至100：1。