CN106393646B - 一种3d打印用高温耗材拉丝设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3D打印用高温耗材拉丝设备，所述的3D打印用高温耗材拉丝设备包括挤出机；强制冷却区，所述强制冷却区包括：强制冷却风罩和强制冷却装置；退火拔丝区，所述退火拔丝区包括：拔丝孔板和加热器；缓冷区，所述缓冷区包括：缓冷风罩、缓冷装置和滑动风挡；绕丝设备和控制器。与现有技术相比，所述的3D打印用高温耗材拉丝设备体积更加小巧、加工速度更快、均匀性更好，对于半结晶、非晶材料的制备液更加方便，且对不同材料的通用性较好。

Description

一种3D打印用高温耗材拉丝设备

技术领域

本发明涉及新型装备制造领域，具体地，涉及一种3D打印用高温耗材拉丝设备。

背景技术

增材制造技术(也称“3D打印”)是基于计算机三维CAD模型，采用逐层堆积的方式直接制造三维物理实体的方法。增材制造技术可以在一台设备上快速精密地制造出任意复杂形状和结构的零部件，从而实现“自由制造”。与传统加工技术相比，增材制造可降低加工成本20％-40％以上，缩短产品研发周期约80％。近20年来，增材制造技术得到了快速发展，形成了多种成型技术和装备。这些技术面向航空航天、武器装备、汽车、模具以及生物医疗等高端制造领域，直接制造三维复杂结构，解决传统制造工艺难以甚至无法加工的制造难题。增材制造作为一项前瞻性、战略性技术，其工程应用性很强，领域跨度大，对未来制造业，尤其是高端制造的发展十分重要。其中熔融沉积快速原型制造(FDM)是一种将各种热熔性的丝状/粉体材料加热熔化挤出成型技术，它具有设备简单、工艺干净、运行成本低且不产生垃圾，可以快速构建中空零件等优点。相比于针对军工的选择性激光融化设备(SLM)，FDM打印机价格低廉，易于推广并尽快应用于工艺品、模具、汽车零部件直接制造等民用工业。但现有的FDM成型设备受固件及控制组件的限制，成型室最高只能达到120℃，挤出头温度最高可达280℃。这些限制导致目前可用于FDM打印的主要是ABS和PLA两种材料。随着技术的的进步及3d打印技术应用领域的拓展，尼龙、PEEK和聚酰亚胺等高强度耐高温的高性能工程塑料的打印必然是一种趋势。与之配套的打印耗材的研发也迫在眉睫。

目前，国内3D打印耗材还在采用传统的挤出、冷却、绕丝工艺。由于3d打印耗材对丝材的线径要求很严格。目前市面上大多采用1.75±0.02mm的规格。 如此高的精度要求，需要保证收缩的均匀性和不同批次产品的一致性。特别是对于高温热塑性材料，为保证精度，整个设备尺寸较大或者加工速度非常缓慢，不便于用作实验室研发设备。而且对于FDM用一定半结晶或者非晶耗材难以制备。受到材料收缩率不同的限制，每种材料都需要一种特定孔径的模具与之对应，通用性较差。

综上所述，目前需要一种使用方便，通用性好的3D打印用高温耗材拉丝设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D打印用高温耗材拉丝设备，所述的3D打印用高温耗材拉丝设备体积更加小巧、加工速度更快、均匀性更好，对于半结晶、非晶材料的制备液更加方便，且对不同材料的通用性较好。

在本发明的第一方面，提供了一种3D打印用高温耗材拉丝设备，所述设备包括：机架20；和依次设置于所述的机架上的：强制冷却区4，所述强制冷却区包括：强制冷却风罩6，和位于所述强制冷却风罩外的一个或数个用于冷却原丝的强制冷却装置5；退火拔丝区7，所述退火拔丝区包括：拔丝孔板8、9，和设置于所述拔丝孔板上的加热器10；缓冷区12，所述缓冷区包括：缓冷风罩14、位于所述缓冷风罩外的一个或数个缓冷装置13、和滑动风挡15；和控制器19，所述的控制器用于控制所述的设备运转。

在另一优选例中，所述的强制冷却风罩和缓冷风罩为表面具有一个或多个风罩孔的筒状结构，且所述筒状结构中心具有空隙，用于通过原丝。

在另一优选例中，所述的强制冷却风罩和缓冷风罩表面为具有多个风罩孔的多孔结构。

在另一优选例中，所述风罩孔为方形孔。

在另一优选例中，所述风罩孔为圆形孔。

在另一优选例中，所述的强制冷却风罩和缓冷风罩为圆筒形结构。

在另一优选例中，所述的风罩为金属风罩、塑料风罩、外面包裹塑料的金属风罩。

在另一优选例中，所述的强制冷却装置和所述的缓冷装置位于所述的强制冷却风罩和缓冷风罩的外周，且使所述的强制冷却装置和所述的缓冷装置垂直于原丝前进方向的截面各处温度基本均匀。

在另一优选例中，所述的强制冷却风罩和缓冷风罩表面的风罩孔的孔面积沿原丝前进方向逐渐增大，或所述的强制冷却风罩和缓冷风罩表面的风罩孔的孔密度沿原丝前进方向逐渐增大。

在另一优选例中，沿原丝前进方向，所述的强制冷却风罩中的温度逐渐下降。

在另一优选例中，沿原丝前进方向，所述的缓冷风罩中的温度逐渐下降。

在另一优选例中，所述拔丝孔板上设置有不同孔径的一组或多组拔丝孔。

在另一优选例中，所述的机架上还固定有：位于所述的强制冷却区前端的挤出装置，其中，所述的挤出装置包括：料斗1、挤出机2、挤出头3；位于所述的缓冷区后端的绕丝装置，其中，所述的绕丝装置包括：绕丝轮16、绕丝机17，和线轴18。

在另一优选例中，所述的绕丝装置具有数个交错分布的绕丝轮。

在另一优选例中，所述的强制冷却装置是冷却风扇；和/或所述的缓冷装置是冷却风扇。

在另一优选例中，所述的退火拔丝区还包括设置于所述的拔丝孔板上的温度传感器11。

在另一优选例中，所述的加热器为嵌于所述的拔丝孔板表面的电热丝。

在本发明的第二方面，提供了一种3D打印用高温耗材拉丝方法，所述的方法包括步骤：

(1)在所述的挤出装置中加入打印原料，运行所述的挤出装置，使所述的挤出装置挤出高温原丝；

(2)使所述的高温原丝通过强制冷却区进行冷却，得到中温原丝；

(3)使所述的中温原丝通过所述的拔丝孔板，从而得到特定孔径的半成型原丝；

(4)使所述的半成型原丝通过所述的缓冷区，从而得到冷却成型原丝；

(5)运行所述的绕丝装置，使所述的成型原丝绕于所述的线轴上。

在另一优选例中，所述的方法还包括，通过所述的控制器，调节所述设备各 区域的温度。

在另一优选例中，在所述的步骤(3)之前，开启所述的加热器，使所述的拔丝孔板处于高温状态。

在另一优选例中，所述的方法还包括，通过所述的线轴转动引导所述的原丝前进。

在另一优选例中，所述的方法还包括，通过所述的控制器，调节所述线轴的转动速度。

在另一优选例中，所述的打印原料是热塑性树脂。

在另一优选例中，所述方法还包括：在所述的挤出机中对所述的打印原料进行加热熔融。

应理解，在本发明范围内，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1为实施例1中耗材拉丝设备的结构示意图；

图2为本发明所述设备的强制冷却区结构示意图之一，A为前视图，B为顶视图，C为左视图；

图3为本发明所述设备的强制冷却区结构示意图之二,A为前视图，B为顶视图，C为左视图；

图4为本发明所述设备的退火拔丝区结构示意图,A为前视图，B为顶视图，C为左视图；

图5为本发明所述设备的缓冷区结构示意图,A为前视图，B为顶视图，C为左视图；

其中，1为料斗，2为挤出机，3为挤出头，4为强制冷却区，5为强制冷却风扇，6为强制冷却风罩，7为退火拔丝区，8和9为不同孔径的拔丝孔，10为加热器，11为温度传感器，12为缓冷区，13为缓冷风扇，14为缓冷风罩，15为滑动风挡，16为绕丝轮，17为绕丝机，18为线轴，19为控制器，20为机架。

具体实施方式

本发明人经过长期而深入的研究，发现目前国内3D打印耗材还在采用传统的挤出、冷却、绕丝工艺设备尺寸较大或者加工速度非常缓慢，不便于用作实验室研发设备。而且对于FDM用一定半结晶或者非晶耗材难以制备。受到材料收缩率不同的限制，每种材料都需要一种特定孔径的模具与之对应，通用性较差。本发明所述的3D打印用高温耗材拉丝设备，在挤出机和绕丝设备之间依次设置强制冷却区、退火拔丝区和缓冷区。强制冷却区可以缩短冷却区长度，而且方便半结晶和非晶材料制备，退火拔丝区采用金属孔板拉丝的原理，将塑料加热到一定温度后使其具有较好的塑性，然后根据材料的收缩率不同，通过相应的拔丝孔。拔丝孔有多组，方便不同种类、不同尺寸规格耗材的制备。缓冷区用于降低拔丝加工产生的内应力。相对熔融温度而言，塑料的热塑性温度较低，所以退火拔丝区的温度也就较低，缓冷区的长度也就不用太长。综上所述，可以实现减小设备冷却区尺寸，提高设备通用性及加工速度的目的，从而完成了本发明。

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。需理解，以下的描述仅为本发明的最优选实施方式，而不应当被认为是对于本发明保护范围的限制。在充分理解本发明的基础上，本领域技术人员可以对本发明的技术方案作出非本质的改动，这样的改动应当被视为包括于本发明的保护范围之中的。

如附图1，耗材拉丝设备的结构示意图所示，本发明提供了一种3D打印用高温耗材拉丝设备，包括挤出机2、强制冷却区4、退火拔丝区7、缓冷区12、绕丝机15、控制器19和机架20。塑料母粒放入料斗1后，通过挤出机加热熔融后经传动螺杆从挤出头2挤出原丝，经过强制冷却区4冷却原丝(详见图2和3，强制冷却区结构示意图)，原丝进入退火拔丝区7后，根据尺寸要求，选择合适的拔丝孔(8或9)得到所需要尺寸的丝(详见图4，退火拔丝区结构示意图)，经过缓冷区12进一步冷却，缓冷风罩14和滑动风挡15是同心的双层结构，上面都有孔隙，当两者孔隙对正时，风量最大，当两者孔隙完全错位时，风量最小，通过调节两者的孔隙位置可以调节风量的大小(详见图5，缓 冷区结构示意图)。在绕丝机17的作用下，经过绕丝轮16后将最终耗材绕在线轴18上，完成整个拉丝工艺。通过控制器，可以控制设备的运行温度、运行速度等参数。

本发明的优点包括：

与现有3D打印耗材拉丝设备相比，本发明所述3D打印用高温耗材拉丝设备具有以下优点：

(1)体积更加小巧、加工速度更快、均匀性更好，对于半结晶、非晶材料的制备液更加方便；

(2)对不同材料的通用性较好，设置了不同的孔径可供选择，避免频繁更换模具带来的困扰，可满足不同用户，特别是实验室研发型客户的使用需求。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种3D打印用高温耗材拉丝设备，其特征在于，所述设备包括：

机架(20)；和依次设置于所述的机架上的：

强制冷却区(4)，所述强制冷却区包括：强制冷却风罩(6)，和位于所述强制冷却风罩外的一个或数个用于冷却原丝的强制冷却装置(5)；

退火拔丝区(7)，所述退火拔丝区包括：拔丝孔板(8、9)，和设置于所述拔丝孔板上的加热器(10)；

缓冷区(12)，所述缓冷区包括：缓冷风罩(14)、位于所述缓冷风罩外的一个或数个缓冷装置(13)、和滑动风挡(15)；

和控制器(19)，所述的控制器用于控制所述的设备运转。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的强制冷却风罩和缓冷风罩为表面具有一个或多个风罩孔的筒状结构，且所述筒状结构中心具有空隙，用于通过原丝。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的强制冷却装置和所述的缓冷装置位于所述的强制冷却风罩和缓冷风罩的外周，且使所述的强制冷却装置和所述的缓冷装置垂直于原丝前进方向的截面各处温度基本均匀。

4.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述的强制冷却风罩和缓冷风罩表面的风罩孔的孔面积沿原丝前进方向逐渐增大，或所述的强制冷却风罩和缓冷风罩表面的风罩孔的孔密度沿原丝前进方向逐渐增大。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述拔丝孔板上设置有不同孔径的一组或多组拔丝孔。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的机架上还固定有：

位于所述的强制冷却区前端的挤出装置，其中，所述的挤出装置包括：料斗(1)、挤出机(2)、挤出头(3)；

位于所述的缓冷区后端的绕丝装置，其中，所述的绕丝装置包括：绕丝轮(16)、绕丝机(17)，和线轴(18)。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的强制冷却装置是冷却风扇；和/或所述的缓冷装置是冷却风扇。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的退火拔丝区还包括设置于所述的拔丝孔板上的温度传感器(11)。

9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的加热器为嵌于所述的拔丝孔板表面的电热丝。

10.一种用如权利要求6所述的设备制备3D打印用高温耗材拉丝方法，其特征在于，所述的方法包括步骤：

(1)在所述的挤出装置中加入打印原料，运行所述的挤出装置，使所述的挤出装置挤出高温原丝；

(2)使所述的高温原丝通过强制冷却区进行冷却，得到中温原丝；

(3)使所述的中温原丝通过所述的拔丝孔板，从而得到特定孔径的半成型原丝；

(4)使所述的半成型原丝通过所述的缓冷区，从而得到冷却成型原丝；

(5)运行所述的绕丝装置，使所述的成型原丝绕于所述的线轴上。