CN105538718B - 一种熔融沉积成型3d打印方法 - Google Patents

一种熔融沉积成型3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种熔融沉积成型3D打印方法，该方法是将热塑性塑料线材通过送丝机构输送到挤出头，通过挤出头挤出成半熔融状态的熔丝，材料挤出后不直接成型，挤出的半熔融状态的熔丝先受到拉伸，挤出的熔丝经过拉伸变细后在成型室内进行沉积成型3D打印。本发明提高了材料挤出速度，从而提高了沉积成型速度，使3D打印效率提高，相同精度条件下，制造效率提高4倍以上。本发明沉积的熔丝宽度最小可以达到0.03mm，比现有技术提高3倍以上。本发明使用的材料与装置与现有技术相近，设备成本与材料成本与现有技术相当，由于生产效率提高，使用成本降低。

Description

一种熔融沉积成型3D打印方法
技术领域
本发明属于机械制造领域的3D打印技术，具体涉及到一种熔融沉积成型3D打印方法。
背景技术
3D打印技术又称增材制造技术，与传统的去除材料加工的方法不同，它是通过逐层堆积材料的方式直接制造产品。3D打印技术利用三维CAD模型在一台设备上可快速而精确地制造出复杂结构零件，从而实现“自由制造”，解决传统工艺难加工或无法加工的局限，并大大缩短了加工周期。
熔融沉积成型工艺，在3D打印技术应用中占有相当大的比例，现有技术是将热塑性塑料线材(一般直径为1.75或3mm，常用材料为丙烯腈-苯乙烯-丁二烯ABS、聚乳酸PLA和尼龙PA等)推入带有加热功能的挤出头，塑料线材在挤出头内受热熔化，由于后续材料不断推入，将熔融状态材料挤出，材料挤出后由于温度的降低凝固成型。
熔融沉积成型工艺的优点在于设备与材料价格低、材料种类多且成型件强度高，可用于制造直接使用的终端零部件。
现有熔融沉积成型技术的精度受到工艺条件限制，挤出头直径最小为0.1mm，加上材料挤出后膨胀影响，其丝材沉积宽度大约0.13mm。
现有技术的沉积速度(挤出头移动速度)与材料挤出速度需要协调，最大沉积速度受到材料挤出速度限制，沉积速度一般低于200mm/s。
现有技术材料挤出速度受限的原因是，由于挤出头直径较小(0.1-0.5mm)，提高挤出速度会使流动阻力大幅上升，挤出是运用步进电机带动齿轮，利用摩擦力推动塑料线材进入挤出头，提供的推力有限，提高推力就要提高摩擦力，提高摩擦力需要提高正压力，塑料线材能够承受的最大压力有限。
如图1所示，为现有技术的材料挤出示意图。材料挤出后未受到拉伸作用，在挤出口发生膨胀。其中：1-挤出头，2-熔融塑料在挤出头内状态，3-熔融材料挤出后膨胀状态，4-膨胀后状态。d1-挤出头直径，d2-为挤出膨胀后熔丝直径。
如图3所示，为现有技术沉积成型示意图，由于材料挤出后的膨胀作用，成型时丝直径d2大于挤出头直径。其中：1-挤出头，2-熔融材料在挤出头内状态，5-成型后材料状态。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种熔融沉积成型3D打印方法。
本发明的方法是：
将热塑性塑料线材通过送丝机构输送到挤出头，通过挤出头挤出成半熔融状态的熔丝，材料挤出后不直接成型，挤出的半熔融状态的熔丝先受到拉伸，挤出的熔丝经过拉伸变细后在成型室内进行沉积成型3D打印。
所述的挤出头出口直径为1-2.2mm，挤出速度为50-120mm/s，挤出头的温度为190-270℃；所述成型室内温度为50-75℃，沉积速度为300-900mm/s，层厚度最低为0.03mm。
所述的热塑性塑料线材的直径为1.75mm或3mm。
所述的热塑性塑料线材为ABS或PLA或PA。
本发明的挤出头出口直径为1-2.2mm，现有技术是0.1-0.5mm。本发明的挤出头出口直径加大，降低了出口流动阻力，在使用现有挤出装置的条件下可以使挤出速度提高4.5-17.5倍。
本发明挤出头温度是190-270℃，依据材料不同而设置不同的温度，PLA最低，PA最高，现有技术是170-240℃。熔融沉积成型使用的是热塑性塑料，其黏度与温度存在反向关联，材料加热至熔化温度后，材料黏度随温度提高而降低。本发明提高挤出头温度后，熔融材料的黏度下降，导致流动阻力降低，在挤出力相同的条件下，材料挤出速度提高。
本发明成型室温度是50-75℃，现有技术是多为50℃。成型室温度提高后，挤出的材料凝固速度降低，挤出后的熔丝仍保持较好的塑性，可以进行拉伸使其直径变小。提高成型室温度后，由于材料凝固速度降低，可以使拉伸后的熔丝保持黏性，沉积后与已经成型部分进行黏结。
本发明的材料挤出速度(单位时间内原材料输送长度)为50-120mm/s，现有技术低于20mm/s。由于采用加大的挤出头直径和较高的挤出头温度，增加了材料流动性并减小了流动阻力，因此可以实现较大的挤出速度，为高速沉积提供相应的材料进给。
本发明沉积速度是300-900mm/s，现有技术低于200mm/s。现有技术材料挤出速度和挤出头运动速度(与成型平台的相对运动速度)需要协调，挤出头运动速度高材料挤出速度也要高，否则容易发生断丝现象。如前述，现有技术材料挤出速度受限，因此挤出头运动速度也受到限制。本发明由于提高挤出头出口直径、提高挤出头温度，使材料挤出速度提高，材料挤出后由于挤出头的高速运动，可使沉积速度提高，挤出头高速运动同时使熔丝受到拉伸作用变细，提高了成型精度。
本发明的有益效果：
本发明提高了材料挤出速度，从而提高了沉积成型速度，使3D打印效率提高，相同精度条件下，制造效率提高4倍以上。本发明沉积的熔丝宽度最小可以达到0.03mm，比现有技术提高3倍以上。本发明使用的材料与装置与现有技术相近，设备成本与材料成本与现有技术相当，由于生产效率提高，使用成本降低(制造相同的零件时间更短)。
附图说明
图1为现有技术的材料挤出示意图。
图2为本发明的材料挤出示意图。
图3为现有技术沉积成型示意图。
图4为本发明沉积成型示意图。
图5为本发明的熔融挤出装置示意图。挤出丝材在双滚压轮的滚压作用下，进入到加热到指定温度的挤出头中，材料呈半熔融态，在后续线材的挤压作用下从挤出头中挤出，沉积到挤出平台上。图中1为未加热状态下的挤出线材，2为滚压轮，3为加热状态下的挤出头，4为沉积平台，5为材料从挤出头中挤出后状态。
具体实施方式
本发明的方法是：将热塑性塑料线材通过送丝机构输送到挤出头，通过挤出头挤出成半熔融状态的熔丝，材料挤出后不直接成型，挤出的半熔融状态的熔丝先受到拉伸，挤出的熔丝经过拉伸变细后在成型室内进行沉积成型3D打印。
所述的挤出头出口直径为1-2.2mm，挤出速度为50-120mm/s，挤出头的温度为190-270℃；所述成型室内温度为50-75℃，沉积速度为300-900mm/s，层厚度最低为0.03mm。
所述的热塑性塑料线材的直径为1.75mm或3mm。
所述的热塑性塑料线材为ABS或PLA或PA。
如图2所示，材料挤出后由于挤出头1的高速运动，使熔丝受到拉伸，产生颈缩现象，熔丝变细。图2中的1为挤出头，2为熔融材料在挤出头内状态，6为挤出后受到拉伸作用产生颈缩现象，7为拉伸后熔丝状态，图中D1为挤出头直径，D2为拉伸后熔丝直径。
如图4所示，由于挤出头1的高速运动，挤出的材料跟不上挤出头1的运动速度，材料受到拉伸作用，出口膨胀现象消失，并且产生颈缩现象，沉积的熔丝直径变小，成型精度提高且效率提高。图4中的1为挤出头，2为熔融材料在挤出头内状态，8为成型后材料状态。
如图5所示，为本发明的熔融挤出装置示意图。挤出丝材9在双滚压轮10的滚压作用下，进入到加热到指定温度的挤出头1中，材料呈半熔融态，在后续线材的挤压作用下从挤出头1中挤出，成拉伸后熔丝状态7，然后沉积到沉积平台11上。

Claims (1)

1.一种熔融沉积成型3D打印方法，该方法是：将热塑性塑料线材通过送丝机构输送到挤出头，通过挤出头挤出成半熔融状态的熔丝，材料挤出后不直接成型，挤出的半熔融状态的熔丝先受到拉伸，挤出的熔丝经过拉伸变细后在成型室内进行沉积成型3D打印：其特征在于：所述的挤出头出口直径为1-2.2mm，挤出速度为50-120mm/s，挤出头的温度为190-270℃；所述的成型室内温度为50-75℃，沉积速度为300-900mm/s，层厚度最低为0.03mm。
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