CN108284590A

CN108284590A - 3d打印耗材拉丝设备

Info

Publication number: CN108284590A
Application number: CN201710018231.9A
Authority: CN
Inventors: 李志祥; 廖广鑫; 段雷; 刘丰华; 孙爱华; 程昱川; 许高杰
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2018-07-17
Anticipated expiration: 2037-01-10
Also published as: CN108284590B

Abstract

本发明提供了一种3D打印耗材拉丝设备。具体地，本发明的3D打印耗材拉丝设备包括：(1)3D打印单元，所述打印单元打印形成拉丝原丝；(2)垂直冷却单元，所述垂直冷却单元设有：原丝预冷却段和原丝垂直冷却段；(3)干燥单元；和(4)卷绕单元。本发明设备制备的丝材圆度高，均匀性好。

Description

3D打印耗材拉丝设备

技术领域

本发明涉及成型技术设备领域，更具体地涉及一种垂直冷却定型结构和其在3D打印耗材拉丝工艺改进方面的应用。

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。

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，拉丝工艺有严格的要求。特别是对于结晶或者半结晶的聚丙烯、聚酰胺等材料，高温熔化后粘度较低，在传统的水平拉丝工艺中，由于表面张力和重力的双重影响，形成的丝材截面多为水滴型或者“D”字形，在均匀性上很难保证。而且对于不同的材料，冷却水出口到挤丝模板的距离也不一样，全凭操作工人经验把握，不利于生产工艺的定量化和标准化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种包含垂直冷却定型结构的3D打印耗材拉丝设备，以及采用所述3D打印耗材拉丝设备的3D打印耗材拉丝工艺。

在本发明的第一方面，提供了一种3D打印耗材拉丝设备，包括：

(1)3D打印单元，所述打印单元打印形成拉丝原丝；

(2)垂直冷却单元，所述垂直冷却单元设有：原丝预冷却段和原丝垂直冷却段；

(3)干燥单元；和

(4)卷绕单元。

在另一个优选例中，所述的垂直冷却单元设有原料入口端和拉丝出口端。

在另一个优选例中，所述原料入口端位于原丝预冷却段。

在另一个优选例中，所述拉丝出口端位于原丝垂直冷却段。

在另一个优选例中，所述原料入口端为喇叭型。

在另一个优选例中，所述的垂直冷却段的长度至少为0.2米，较佳地0.2-2米，更佳地0.3-1.5米。

在另一个优选例中，所述垂直冷却单元包括冷却水进口(3)、漏斗形夹套出水口(2)、冷却水出口(4)、外置水加热装置和水循环装置。

在另一个优选例中，所述的漏斗形夹套出水口(2)的出水孔是环缝型和/或环孔型。

在另一优选例中，所述的环孔呈对称分布。

在另一优选例中，所述的拉丝设备还包括水平冷却单元，所述水平冷却单元位于垂直冷却单元的下游。

在另一个优选例中，所述水平冷却单元选自冷却水槽、水循环装置、加热装置。(加热的目的是防止温度变化太大导致塑料丝发生卷曲。)

在另一优选例中，所述的拉丝设备还包括转向单元，所述转向单元位于垂直冷却单元的下游和水平冷却单元的上游。

在另一个优选例中，所述转向单元选自：转向滑轮、带储线功能的弹簧张紧装置。

在另一个优选例中，所述干燥单元选自吹干装置、水回收装置、或其组合。

在另一个优选例中，所述拉丝设备还包括：测量单元，所述测量单元位于，卷绕单元的上游和干燥单元的下游。

在本发明的第二方面，提供了一种对3D打印耗材进行拉丝的方法，所述方法包括步骤：采用本发明的第一方面所述的3D打印耗材拉丝设备进行拉丝。

在另一优选例中，所述的3D打印耗材选自PLA、ABS、聚丙烯、尼龙、PEEK、聚酰亚胺、POM、PPO、PSS、PSF、聚芳砜、或其组合。

在另一优选例中，所述对3D打印耗材进行拉丝的方法中，所述原丝预冷却段中，水面高于漏斗形夹套出水口。

应理解，在本发明范围内中，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为本发明耗材拉丝工艺的设备示意图。

图2为本发明耗材拉丝工艺的垂直定型结构示意图。

图3为本发明一个优选实施例中垂直定型区环缝型出水口设计示意图。

图4为本发明一个优选实施例中垂直定型区环孔型出水口设计示意图。

其中的附图标记为：挤出机1、出水口2、冷却水进口3、冷却水出口4、转向滑轮5、冷却水槽6、吹干装置7、测量装置8、绕丝装置9、垂直冷却单元10、原丝预冷却段21、原丝垂直冷却段22。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入地研究，意外地发现，在拉丝设备挤出机和水平冷却槽之间增加特定结构的垂直冷却单元，可以显著提升3D打印耗材拉丝的性能。具体地，本发明提供了一种3D打印耗材拉丝设备，所述3D打印耗材拉丝设备设有所述的垂直冷却单元，所述垂直冷却单元设有漏斗形夹套以及位于所述漏斗形夹套的出水口2、冷却水进口3、冷却水出口4和转向滑轮5，从而形成原丝预冷却段和原丝垂直冷却段。通过所述垂直冷却单元的冷却定型，可以有效排除重力对丝材圆度的不利影响，从而制备均匀性好的丝材。另外，采用漏斗型的水冷工艺，水流均匀、平稳，可有效避免水平拉丝时因水面波动导致的丝径起伏形象。在此基础上，完成了本发明。

3D打印耗材拉丝设备

本发明提供了一种3D打印耗材拉丝设备，其中，所述设备设有位于拉丝设备挤出机和水平冷却槽之间的垂直冷却单元。

参见图1和图2。一种典型的3D打印耗材拉丝设备包括：挤出机1、垂直冷却单元10、转向滑轮5、冷却水槽6、吹干装置7、测量装置8、绕丝装置9。其中，所述垂直冷却单元10设有出水口2、冷却水进口3和冷却水出口4。

典型地，本发明的垂直冷却单元设有漏斗形夹套以及位于所述漏斗形夹套的出水口2、冷却水进口3、冷却水出口4和转向滑轮5。

在本发明中，垂直冷却单元设有原丝预冷却段21和原丝垂直冷却段22。其中，拉丝原丝先进入原丝预冷却段21，然后在进入原丝垂直冷却段22。

在本发明中，所述的原丝预冷却段通常为漏斗形或喇叭口形，并且在所述原丝预冷却段设有冷却水的出水口2。

在本发明中，所述出水口的数量和形状没有特别限制。一种典型的出水口如图3所示，为环缝形出水口。

另一种典型的出水口如图4所示，为环状分布的多个(如4-20个)圆孔形出水口。

在另一优选例中，所述的出水口(或环孔)的形状没有特别限制，代表性的例子包括(但并不限于)：圆形、多边形、正方形、三角形、或其组合。

此外，在本发明中，所述的出水口可以分布在同一高度，或分布在不同的高度。例如，可以设置上下两排互相交错或不交错的出水口。

在本发明中，所述的垂直冷却段的长度没有特别限制，通常至少为0.2米，较佳地0.2-2米，更佳地0.3-1.5米。

在本发明中，由于通过采用特定结构的冷却单元，因此显著提升所制备的丝材的性能，尤其是显著改善均匀性。

优选地，本发明中的垂直冷却单元除了包括冷却水进口(3)、漏斗形夹套出水口(2)、冷却水出口(4)之外，还包括外置水加热装置和水循环装置。这样，进一步精确地控制冷却单元中冷却水的温度，防止温度变化太大导致塑料丝发生卷曲等不利影响，从而显著改善拉丝原丝的均匀性。

在本发明中，对于3D打印单元、干燥单元和卷绕单元，没有特别限制，可以采用常规设计的或市售的种类。

3D打印耗材拉丝方法

本发明还提供了一种对3D打印耗材进行拉丝的方法，所述方法包括步骤：采用本发明所述的3D打印耗材拉丝设备进行拉丝。

在本发明中，对于3D打印耗材没有特别限制，代表性的例子包括(但并不限于)：PLA、ABS、聚丙烯、尼龙、PEEK、聚酰亚胺、POM、PPO、PSS、PSF、聚芳砜、或其组合。

用本发明设备和方法制备的丝材不仅圆度高，均匀性好，而且有效消除了有效水平拉丝时因水面波动导致的丝径起伏现象。

用本发明方法制备的丝材，其直径没有特别限制。

本发明的主要优点包括：

(1)采用垂直定型工艺，容易排除重力对丝材的不利影响，制备的丝材圆度高，均匀性好。

(2)采用垂直定型工艺，可以采用漏斗型的水冷工艺，水流均匀、平稳，可有效避免水平拉丝时因水面波动导致的丝径起伏现象。

(3)所涉及的拉丝工艺材料适用面广、通用性好、一致性佳，利于标准化生产。

(4)降低使用者的技能要求门槛，特别适合初学者使用和操作。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

在本实施例中，采用图1、图2和图3所示的设备。该设备在挤出机1和水平冷却槽6之间增加了垂直冷却定型单元，所述垂直冷却单元设有漏斗形夹套以及设置于所述漏斗形夹套的环缝形出水口2、冷却水进口3、冷水出口4。

将聚丙烯作为耗材，用所述设备进行3D打印拉丝，从而制得丝材。

结果：所述的丝材的横截面为标准的圆形，并且无肉眼可见的丝径起伏情况。

手摸时没有丝径不均匀产生的起伏感，用线径仪测量，丝径在1.75±0.02或者3±0.03范围内。

实施例2

在本实施例中，采用图1、图2和图4所示的设备。该设备在挤出机1和水平冷却槽6之间增加了垂直冷却定型单元，所述垂直冷却单元设有漏斗形夹套以及设置于所述漏斗形夹套的环形分布的多个出水口2、冷却水进口3、冷水出口4。

实施例3

在本实施例中，采用图1、图2和图4所示的设备。该设备在挤出机1和水平冷却槽6之间增加了垂直冷却定型单元，所述垂直冷却单元设有漏斗形夹套以及设置于所述漏斗形夹套的环形分布的多个出水口2、冷却水进口3、冷水出口4。此外，所述垂直冷却单元除了包括冷却水进口3、漏斗形夹套出水口2、冷却水出口4之外，还包括外置水加热装置和水循环装置。

实施例4

将尼龙作为耗材，用所述设备进行3D打印拉丝，从而制得丝材。

对比例1

采用与实施例1中相同的设备，不同点在于：用常规的水平冷却模块替换垂直冷却单元。

结果：所述的丝材的横截面为不规则的圆形，并且局部存在肉眼可见的丝径起伏情况。

本发明的上述实施例结果表明，在特定结构的垂直冷却单元进行垂直定型，可有效排除重力对丝材圆度的不利影响，制备的丝材均匀性好。采用漏斗型的水冷工艺，水流均匀、平稳，可有效避免水平拉丝时因水面波动导致的丝径起伏形象。

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

1.一种3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述设备包括：

(1)3D打印单元，所述打印单元打印形成拉丝原丝；

(3)干燥单元；和

(4)卷绕单元。

2.如权利要求1所述的3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述的垂直冷却单元设有原料入口端和拉丝出口端。

3.如权利要求1所述的3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述垂直冷却单元包括：冷却水进口(3)、漏斗形夹套出水口(2)、冷却水出口(4)、外置水加热装置和水循环装置。

4.如权利要求3所述的3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述的漏斗形夹套出水口(2)的出水孔是环缝型和/或环孔型。

5.如权利要求1-3中任一所述的3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述的拉丝设备还包括水平冷却单元，所述水平冷却单元位于垂直冷却单元的下游。

6.如权利要求1-3中任一所述的3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述的拉丝设备还包括转向单元，所述转向单元位于垂直冷却单元的下游和水平冷却单元的上游。

7.如权利要求1-3中任一所述的3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述干燥单元选自下组：吹干装置、水回收装置、或其组合。

8.如权利要求1-3中任一所述的3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述拉丝设备还包括测量单元，所述测量单元位于卷绕单元的上游和干燥单元的下游。

9.一种对3D打印耗材进行拉丝的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：采用权利要求1-8中任一所述的3D打印耗材拉丝设备进行拉丝。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的3D打印耗材选自下组：PLA、ABS、聚丙烯、尼龙、PEEK、聚酰亚胺、POM、PPO、PSS、PSF、聚芳砜、或其组合。