CN104960171A - 3d打印用高分子材料挤出装置及其应用 - Google Patents

3d打印用高分子材料挤出装置及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN104960171A
CN104960171A CN201510250649.3A CN201510250649A CN104960171A CN 104960171 A CN104960171 A CN 104960171A CN 201510250649 A CN201510250649 A CN 201510250649A CN 104960171 A CN104960171 A CN 104960171A
Authority
CN
China
Prior art keywords
machine barrel
extrusion
handle
extrusion device
hopper
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510250649.3A
Other languages
English (en)
Inventor
郭福
孟佳红
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN201510250649.3A priority Critical patent/CN104960171A/zh
Publication of CN104960171A publication Critical patent/CN104960171A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/02—Small extruding apparatus, e.g. handheld, toy or laboratory extruders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/03—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor characterised by the shape of the extruded material at extrusion
    • B29C48/05—Filamentary, e.g. strands

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

3D打印用高分子材料挤出装置及其应用，属于材料挤出装置技术领域。主要由料斗、热电偶、螺杆、加热圈、机筒、螺旋叶片、接料架、手柄构成。加热圈升温到材料的熔化温度，材料粉不断由料斗倒入，旋转手柄，塑料粉经加热熔化，并在螺旋叶片的推动下在挤出口挤出丝状材料，由表面光滑的接料架承接材料并在将空气中快速冷凝成型。用于进行更多的PLA改性试验。本发明的装置具有高效、节能、简便的特点。

Description

3D打印用高分子材料挤出装置及其应用
技术领域
本发明属于材料挤出装置技术领域，尤其涉及3D打印用高分子材料挤出装置。
背景技术
3D打印技术的发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、以及经济、社会、和环境等方面的因素。本项目以此为背景，着重于研究设计可自主熔融合成制丝的3D打印机配套装置，对PLA材料改进方式和强化机理等方面的资料查阅和研究统计，以此来研究适用于FDM三维成型技术的聚乳酸(PLA)高分子成型材料的物理化学性能。
3D打印技术，又称“增材制造”，是一种与传统的材料去除加工方法相反的，基于三维数字模型的，通常采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺。
1984年Charles Hull制作出第一台3D打印机，在之后几年相继出现多种增材制造技术。1993年，麻省理工学院教授发明Three-Dimensional Printing技术，次年正式用于生产3D打印机。此后，多家公司利用3D打印机生产出假肢，人造血管，无人机，汽车。至此，3D打印技术历经了近30年的发展，正逐步成为最有生命力的先进制造技术之一。
现阶段3D打印有四种主要技术，第一类叫熔融挤压堆积成型(FDM)，将原材料沉积为层，通过某种打印头挤压液体胶状物或粉末状的原材料。第二类是激光烧结，通常是是利用激光或在原材料中加入某种黏合剂将原材料粘合在一起。第三类是三维喷涂粘结成型，将粉末由储存桶送出，再以滾筒将送出之粉末在加工平台上铺上一层很薄的原料，依照3D电脑模型喷出黏著剂，如此循环便可得到所要的形状。第四类是喷墨成型。相比于后三类，FDM有其独特的优势，它适合在家庭或办公室使用，系统构造原理和操作简单；维护成本低，系统运行安全；可以直接用于失蜡铸造；可以成型任意复杂程度的零件；支撑去除简单，无需化学清洗。
国内方面，北京航空航天大学对短切玻璃纤维增强ABS复合材料进行改性研究使其适用于FDM工艺。清华大学机械系激光快速成形中心研究的熔融沉积制造(MEM)工艺，着重于特殊喷嘴和设备开发，成功开发了FDM用蜡丝和ABS丝状材料。大连理工大学采用集成了LOM和FDM两种快速成形工艺的M-RPMS-II型多功能快速成形系统，但该系统仍存在缺陷，支撑材料难以去除，并且会导致原型表面粗糙。北京化工大学用成分不同的ABS材料做成型材料和支撑材料，使支撑材料很容易剥离成型材料。目前，国内尚未有单位在FDM支撑材料方面进行研究。
国外方面美国明尼苏达州Stratasys公司从1987年开始研究FDM技术，在1989年制成第一台3DModele样机，并不断根据业界的需求，设计多种3D打印机以供选择，近期更是推出大型的原型机系统——FDM8000。Stratasys公司是世界上最大的FDM生产厂商，该公司不断的改进开发FDM技术和热塑性材料。2001年Stratasys公司发表了支持FDM技术的高强度工程材料PC，2002又发表了支持FDM技术的适合高温的工作环境工程材料PPSF。随后，Stratasys公司开发了结合了PC的强度以及ABS的韧性工程材料混合物PC-ABS。
挤出成型是高分子材料加工领域中变化众多、生产率高、适应性强、用途广泛、所占比重最大的成型加工方法。挤出成型工艺适合于所有的高分子材料。以挤出为基础，配合吹胀、拉伸等技术则发展为挤出--吹塑成型和挤出--拉幅成型制造中空吹塑和双轴拉伸薄膜等制品。可见挤出成型是塑料成型最重要的方法。共挤出技术是用两台或者两台以上单螺杆挤出机或双螺杆挤出机将两种或多种聚合物同时挤出并在一个机头中成型多层板式或片状结构等的一步法加工过程。共挤出技术是当代广泛应用的先进的聚合物加工方法，共挤出技术已广泛应用于复合管材、复合薄膜、板材、异型材、光纤、电线、电缆等复合制品的生产，随着共挤出技术的发展，其应用领域会进一步拓宽。开发高效、节能、简便的挤出设备是共挤出设备的发展趋势。
发明内容
本发明的目的是提供一种简便3D打印用高分子材料挤出装置。
高分子挤出装置的搭建如下图1-3。
本发明的一种简便3D打印用高分子材料挤出装置，其特征在于，主要由料斗(1)、热电偶(2)、螺杆(3)、加热圈(4)、机筒(5)、螺旋叶片(6)、接料架(7)、手柄(8)；螺杆(3)同轴位于圆筒形机筒(5)的中心位置，螺杆(3)与机筒(5)外的手柄(8)连接，机筒(5)在手柄(8)这一侧的端面设有带圆孔的盖，螺杆(3)穿过圆孔且可任意沿自身轴转动，机筒(5)的另一端安装有漏斗形的的挤出口部分，漏斗中心设有开口，称为挤出口(9)，挤出口与接料架(7)相连，用于承接挤出的丝状材料；机筒(5)内螺杆(3)上固定有一螺旋叶片(6)，螺旋叶片的直径与机筒内径相同；机筒(5)的外面设有加热圈(4)，加热圈(4)上设有热电偶(2)，在靠近手柄(8)这一侧的机筒(5)侧面安装有料斗(1)与机筒(5)内部连通。
加热圈升温到材料的熔化温度，如塑料的200℃，材料粉不断由料斗倒入，旋转手柄，塑料粉经加热熔化，并在螺旋叶片的推动下在挤出口挤出丝状材料，由表面光滑的接料架承接材料并在将空气中快速冷凝成型。
此挤出机可利用塑料粉进行熔融制丝，减少加工成本等，从而可以直接用于FDM设备，也可用于进行更多的PLA改性试验，提高材料性能。
利用此发明可进行PLA改性实验，根据ASTM标准测定PLA材料的物理化学参数，实现对现存PLA材料各方面性能的对比，为后续改性与测试分析提供基础。从强度、韧性、以及耐热性等三个方面对PLA材料进行改良，并对改良后的PLA材料进行全面的物理化学性能参数测试与分析。从而建立起完整的改性工艺与改良性能数据，为后续其他研究项目的开展以及材料的市场推广提供理论依据及研究基础。对PLA材料改进方式和强化机理等方面的资料查阅和研究统计，可以加入纤维素，淀粉等以改善其性能脆，断裂形变小，韧性差，热稳定性差等一系列问题。
创新点与特色：
1.通过加热冷凝技术，制造可熔融高分子材料且将其冷凝制成丝状的装置，并对其进行调试运行。
(1)挤压系统：塑料通过挤压系统而塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立压力下，被连续的挤出机头。
(2)传动系统：供给在挤出过程中所需要的力矩和转速。
(3)加热冷却装置：加热与冷却是塑料挤出过程能够进行的必要条件。
2.通过数字化方式实现测试材料的模型设计及尺寸的精确控制，从一定程度上避免了传统磨削手段在制造样品过程中产生的不确定性，有效减少测试误差，提高材料性能测试精度。挤出装置的搭建及高分子材料的研究很好的为数字化模型提供了前提条件和应用平台。
附图说明
图1为挤出机正视图；
图2为挤出机右视图；
图3为挤出机立体图。
1-料斗  2-热电偶  3-螺杆  4-加热圈  5-机筒  6-螺旋叶片  7-接料架8-手柄。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
简便易行单螺旋装置见图1-3，其材料选用性能较好的合金钢，机筒长度为30cm，内直径为8cm，壁厚2mm。螺杆选用带有螺旋叶片的螺杆，螺旋叶片的螺距为3cm，螺旋叶片的直径与机筒内径相同。挤出口部分采用前端直径为3mm，后端与机筒相连的圆台状套头的漏斗形结构；料斗为上直径设计为7cm，下直径为2cm的漏斗。手柄杆与螺杆相连接，机筒左侧封闭，但留处空隙保证手柄灵活运转。长度10cm的接料架用于承接挤出的丝状材料。机身加热筒外采用圆柱筒形加热圈，包裹在机身外，利用热电偶显示温度,一般温度选择在200℃左右，使PLA材料既能融化又不产生分解。
加热圈升温到材料的熔化温度，如塑料的200℃，材料粉不断由料斗倒入，旋转手柄，塑料粉经加热熔化，并在螺旋叶片的推动下在挤出口挤出丝状材料，由表面光滑的接料架承接材料并在将空气中快速冷凝成型。
实施例2
利用发明用于研究PLA材料的改性
(1)聚乳酸的增强改性(纤维材料共混增强)
a.在聚乳酸中添加纤维素及木质素等天然纤维，在保持聚乳酸生物可降解性的基础上提高其强度。
b.在加工过程中，将玻璃纤维与聚乳酸在高剪切力的作用下共混，使其均匀分布于基体树脂中，从而使得成型后的材料在受外力作用时，力沿着玻璃纤维取向的方向传递，分担基体树脂的受力，从而提高材料的强度。
(2)聚乳酸的增韧改性
a.共混改性
在聚乳酸中加入比其模量更低的弹性体或者增塑剂，当聚乳酸收到冲击时，增韧剂可以吸收或分散冲击能量，从而改善聚乳酸的韧性。
b.共聚改性
通过共聚的方法，在聚乳酸的分子中引入其他分子链，通过降低聚乳酸分子的规整度，限制各分子链之间的相互作用，从而降低聚乳酸的玻璃化转变温度，提高其耐冲击性能的方法。
(3)聚乳酸的耐热性
a.提高结晶度，在PLA中引入层状硅酸盐等纳米材料可以提高基体的耐热性，还可以提高其力学性能。
b.共混改性，将PLA与玻璃化转变温度较高的高分子共混进行复合,提高材料的耐热性。
通过数字化方式实现测试材料的模型设计及尺寸的精确控制，从一定程度上避免了传统磨削手段在制造样品过程中产生的不确定性，有效减少测试误差，提高材料性能测试精度。

Claims (3)

1.一种简便3D打印用高分子材料挤出装置，其特征在于，主要由料斗(1)、热电偶(2)、螺杆(3)、加热圈(4)、机筒(5)、螺旋叶片(6)、接料架(7)、手柄(8)构成；螺杆(3)同轴位于圆筒形机筒(5)的中心位置，螺杆(3)与机筒(5)外的手柄(8)连接，机筒(5)在手柄(8)这一侧的端面设有带圆孔的盖，螺杆(3)穿过圆孔且可任意沿自身轴转动，机筒(5)的另一端安装有漏斗形的的挤出口部分，漏斗中心设有开口，称为挤出口(9)，挤出口与接料架(7)相连，用于承接挤出的丝状材料；机筒(5)内螺杆(3)上固定有一螺旋叶片(6)，螺旋叶片的直径与机筒内径相同；机筒(5)的外面设有加热圈(4)，加热圈(4)上设有热电偶(2)，在靠近手柄(8)这一侧的机筒(5)侧面安装有料斗(1)与机筒(5)内部连通。
2.利用权利要求1的一种简便3D打印用高分子材料挤出装置挤出高分子材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：加热圈升温到材料的熔化温度，材料粉不断由料斗倒入，旋转手柄，塑料粉经加热熔化，并在螺旋叶片的推动下在挤出口挤出丝状材料，由表面光滑的接料架承接材料并在将空气中快速冷凝成型。
3.权利要求1的一种简便3D打印用高分子材料挤出装置用于PLA改性。
CN201510250649.3A 2015-05-18 2015-05-18 3d打印用高分子材料挤出装置及其应用 Pending CN104960171A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510250649.3A CN104960171A (zh) 2015-05-18 2015-05-18 3d打印用高分子材料挤出装置及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510250649.3A CN104960171A (zh) 2015-05-18 2015-05-18 3d打印用高分子材料挤出装置及其应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104960171A true CN104960171A (zh) 2015-10-07

Family

ID=54214335

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510250649.3A Pending CN104960171A (zh) 2015-05-18 2015-05-18 3d打印用高分子材料挤出装置及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104960171A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110237784A (zh) * 2019-06-21 2019-09-17 华南农业大学 木质素微/纳米球、增强聚乳酸3d打印材料及其制备方法
CN113512395A (zh) * 2021-03-19 2021-10-19 广西藤县通轩立信化学有限公司 一种3d打印用的热熔胶

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110237784A (zh) * 2019-06-21 2019-09-17 华南农业大学 木质素微/纳米球、增强聚乳酸3d打印材料及其制备方法
CN113512395A (zh) * 2021-03-19 2021-10-19 广西藤县通轩立信化学有限公司 一种3d打印用的热熔胶

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Park et al. 3D printing of polymer composites: Materials, processes, and applications
Rajan et al. Fused deposition modeling: process, materials, parameters, properties, and applications
Rafiee et al. Multi‐material 3D and 4D printing: a survey
Mogas-Soldevila et al. Water-based robotic fabrication: large-scale additive manufacturing of functionally graded hydrogel composites via multichamber extrusion
Justino Netto et al. Screw-assisted 3D printing with granulated materials: A systematic review
Hu et al. Advances in fused deposition modeling of discontinuous fiber/polymer composites
US20210394457A1 (en) Poylmeric composition for use as a temporary support material in extrusion based additive manufacturing
Bryll et al. Polymer composite manufacturing by FDM 3D printing technology
Ning et al. Additive manufacturing of carbon fiber reinforced thermoplastic composites using fused deposition modeling
Velu et al. 3D printing technologies and composite materials for structural applications
KR101769144B1 (ko) Ｆｄｍ용 필라멘트 제조 장치，와이어가 담지된 ｆｄｍ용 필라멘트 및 이를 이용하는 ３차원 프린터
CN105599302A (zh) 一种连续纤维熔融沉积3d打印方法及应用
Gibson et al. Extrusion-based systems
CN105778484B (zh) 一种应用于fdm技术的3d打印的改性尼龙材料及其打印方法
Patel et al. Extrusion-based technology in additive manufacturing: a comprehensive review
Hu et al. Recent patents in additive manufacturing of continuous fiber reinforced composites
CN108297469B (zh) 具有多尺度孔洞的制件
CN205075347U (zh) 三维全彩复合打印装置
Gibson et al. Material extrusion
CN106827443A (zh) 一种短碳纤维增强高温高黏热塑性塑料快速成型螺杆挤出装置
Hodzic et al. Influence of carbon fibers on mechanical properties of materials in FDM technology
Atakok et al. A review of mechanical and thermal properties of products printed with recycled filaments for use in 3D printers
Dhanunjayarao et al. 3D printing of fiber-reinforced polymer nanocomposites: additive manufacturing
Ning et al. Additive manufacturing of CFRP composites using fused deposition modeling: effects of process parameters
CN104960171A (zh) 3d打印用高分子材料挤出装置及其应用

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20151007

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication