CN108527838A - 3d打印耗材拉丝设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印耗材拉丝设备。具体地，本发明3D打印耗材拉丝设备包括：(1)送丝单元，所述送丝单元用于供送连续的第一丝材；(2)管壳体原料供送单元，所述的管壳体原料供送单元用于供送管壳体原料；(3)复合管材成型单元，所述复合管材成型单元用于将来自所述管壳体原料供送单元的管壳体原料与来自送丝单元的连续的第一丝材，同轴挤出形成复合管材；和(4)卷绕单元，所述卷绕单元包括第一卷绕器和第二卷绕器。本发明还提供了一种对3D打印耗材进行拉丝的方法。

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，具体涉及一种连续丝材增强3D打印耗材拉丝设备，以及采用该拉丝设备的连续丝材增强3D打印耗材拉丝工艺。
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成型件虽然在沿着打印方向上拉伸强度接近注塑加工，但在垂直打印方向上，拉伸强度较低，导致整体的抗弯强度较低。
有文献报道，采用连续碳纤维增强FDM打印件的拉伸和抗弯强度能显著提高。其采用一个打印头，两个进料口的设计，其中一个用于PLA、ABS等塑料进料，另外一个用于连续碳纤维进料。该方式存在三个缺点：第一，需要依靠专门的设备，通用性不强。第二，塑料丝材和增强纤维呈一定的角度，挤出过程中纤维分布的均匀性很难保证，容易出现应力集中点。第三，对于一些特殊的材料，需要进行原位表面处理以增加纤维和基体的结合力，该方式不利于增强纤维的原位改性。
因此本领域需要开发一种不依赖打印设备，通用性好，强度高的连续丝材增强3D打印耗材拉丝工艺。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种连续丝材增强3D打印耗材拉丝设备，以及采用所述拉丝设备的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，所述拉丝设备包括：
(1)送丝单元，所述送丝单元用于供送连续的第一丝材，其中所述的第一丝材选自下组：纤维丝、金属丝或其组合；
(2)管壳体原料供送单元，所述的管壳体原料供送单元用于供送管壳体原料；
(3)复合管材成型单元，所述复合管材成型单元用于将来自所述管壳体原料供送单元的管壳体原料与来自送丝单元的连续的第一丝材，同轴挤出形成复合管材，其中，所述的管壳体原料形成中空管材，而所述的连续的第一丝材位于所述中空管材的中空部分并且所述第一丝材相对于中空管材是可移动的；和
(4)卷绕单元，所述卷绕单元包括第一卷绕器和第二卷绕器，其中第一卷绕器用于卷绕来自所述复合管材成型单元的复合管材，所述的第二卷绕器用于卷绕连续的第二丝材，所述的第二丝材选自下组：纤维丝、金属丝或其组合。
在另一优选例中，所述的第一丝材和第二丝材的材质是相同的或不同的。
在另一优选例中，所述的第一丝材和第二丝材为同一丝材(即同一根连续丝材)。
在另一优选例中，所述纤维丝选自：碳纤维、玻璃纤维、植物纤维、金属丝、或其组合。
在另一优选例中，所述植物纤维选自：棉、麻、或其组合。
在另一优选例中，所述送丝单元包括线盘。
在另一优选例中，所述复合管材成型单元设有加热器和同轴推挤组件。
在另一优选例中，所述同轴推挤组件包括：传动齿轮、套筒、挤出螺杆、模头。
在另一优选例中，所述同轴推挤组件还包括充气孔和密封圈。
在另一优选例中，所述的卷绕器选自：线盘、转轴、计米器。
在另一优选例中，所述的拉丝设备还包括化学处理单元，所述化学处理单元位于送丝单元下游和复合管材成型单元上游。
在另一优选例中，所述的拉丝设备还包括转向单元。
在另一优选例中，所述转向单元位于送丝单元下游和复合管材成型单元上游。
在另一优选例中，所述转向单元选自：滑轮、带储线功能的弹簧张紧装置。
在另一优选例中，所述的拉丝设备还包括干燥单元，所述干燥单元位于化学处理单元下游和复合管材成型单元上游。
在另一优选例中，所述干燥单元选自下组：吹干装置、水回收装置、或其组合。
在另一优选例中，所述的拉丝设备还包括冷却单元，所述冷却单元位于复合管材成型单元下游和卷绕单元上游。
在另一优选例中，所述冷却单元选自冷却水槽、水循环装置、加热装置和温度控制装置。
在另一优选例中，所述的拉丝设备还包括测量单元，所述测量单元位于冷却单元的下游和卷绕单元的上游。
在另一优选例中，所述卷绕单元还包括绕线器。
在另一优选例中，所述的拉丝设备还包括裁切单元。
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，包括：
(1)送丝步骤；
(2)管壳体原料供送步骤；
(3)复合管材成型步骤；和
(4)卷绕步骤。
在另一优选例中，所述方法还包括化学处理步骤，对所述第一丝材和/或第二丝材的进行原位表面处理。
在另一优选例中，所述方法还包括干燥步骤，对所述第一丝材和/或第二丝材进行干燥。
在另一优选例中，所述方法还包括冷却步骤，对所述复合管材进行冷却。
在另一优选例中，所述方法还包括测量步骤，对所述复合管材进行测量。
在另一优选例中，所述方法还包括切割步骤，对所述复合管材、第一丝材和/或第二丝材进行切割。
在另一优选例中，所述复合管材成型步骤中，挤出螺杆中心部分走连续的第一丝材，模具环形孔挤出管状外壳，所述连续的第一丝材和管状外壳为同轴结构，连续的第一丝材可在管中自由活动。
在另一优选例中，所述复合管材成型步骤是在空气气氛、惰性气氛或者还原气氛下进行。
在另一优选例中，所述的卷绕步骤中采用两个卷绕器，其中一个卷绕器先绕复合管材，然后另外一个卷绕器再绕第二丝材，复合管材和第一丝材与第二丝材的长度之和的比例根据管状外壳截面积与3D打印喷头出丝孔截面积的比例确定。
在另一优选例中，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。
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3D打印耗材拉丝设备结构示意图。
图2为本发明的一个实例中耗材拉丝设备的前处理装置的结构示意图。
图3为本发明的一个实例中耗材拉丝设备的复合管材成型单元结构示意图。
图4为本发明的一个实例中耗材拉丝设备的后处理装置的结构示意图。
图5为本发明耗材拉丝工艺的子母线盘结构示意图。
其中的附图标记为：线盘1、滑轮2、化学处理池3、干燥器4、充气孔5、密封圈6、传动齿轮7、套筒8、加热器9、挤出螺杆10、模头11、冷却区12、测量区13、绕线器14，切割刀15、大线盘16、小线盘17、大线盘对应的轴承18、小线盘对应的轴承19、连接杆20、管壳体原料入口21。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入地研究，首次意外地发现，在3D打印耗材拉丝设备中增加复合管材成型单元，可以制备具有管状外壳，并且中空部分均匀填充连续丝材的复合管材。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(1)送丝单元，所述送丝单元用于供送连续的第一丝材(例如纤维丝、金属丝或其组合)；(2)管壳体原料供送单元，所述的管壳体原料供送单元用于供送管壳体原料；(3)复合管材成型单元，所述复合管材成型单元用于将来自所述管壳体原料供送单元的管壳体原料与来自送丝单元的连续的第一丝材，同轴挤出形成复合管材，其中，所述的管壳体原料形成中空管材，而所述的连续的第一丝材位于所述中空管材的中空部分并且所述第一丝材相对于中空管材是可移动的；和(4)卷绕单元，所述卷绕单元包括第一卷绕器和第二卷绕器，其中第一卷绕器用于卷绕来自所述复合管材成型单元的复合管材，所述的第二卷绕器用于卷绕连续的第二丝材(例如纤维丝、金属丝或其组合)。
使用所述3D打印耗材拉丝设备的拉丝方法包括：送丝步骤、管壳体原料供送步骤、复合管材成型步骤、卷绕步骤。在所述复合管材成型步骤中，挤出螺杆中心部分走连续丝材，模具环形孔挤出管状外壳，连续丝材和管状外壳为同轴结构，连续丝材可以在管中自由活动，从而制得具有管状外壳，并且中空部分均匀填充连续丝材的复合管材。
所述复合管材可直接用于3D打印，从而增加打印件垂直打印方向上的拉伸强度，提高打印件整体的抗弯强度。此外，所述的卷绕步骤中可采用两个卷绕器，其中一个卷绕器先绕复合管材，然后另外一个卷绕器再绕第二丝材，复合管材和第一丝材与第二丝材的长度之和的比例根据管状外壳截面积与3D打印喷头出丝孔截面积的比例确定。
在此基础上，完成了本发明。
术语
连续丝材前处理装置
本发明中“连续丝材前处理装置20”包括送丝单元。
在另一个优选实施例中，所述的连续丝材前处理装置还包括转向单元、化学处理单元和/或干燥单元。
典型地，在本发明中，所述的连续丝材前处理装置负责丝材的供应及原位表面处理，所述送丝单元为线盘1，转向单元为滑轮2，化学处理单元为化学处理池3，干燥单元为干燥器4。
在一个优选实施例中，例如对于部分对丝材表面不敏感的基材，前处理装置可以省略为线盘1，其他工序可以忽略。
复合管材成型单元
本发明中，“复合管材成型单元30”负责复合管材的成型，设有加热器9、管壳体原料入口21和同轴推挤组件；所述同轴推挤组件包括：传动齿轮7、套筒8、挤出螺杆10、模头11。所述复合管材的结构为管状外壳，其中空部分填充连续丝材。
在一个优选实施例中，复合管材对氧含量敏感，所述同轴推挤组件还包括充气孔5和密封圈6。
后处理装置
本发明中，“后处理装置40”包括卷绕单元。
在另一个优选实施例中，所述的后处理装置还包括冷却单元、测量单元和/或裁切单元。
在本发明中，所述的后处理装置负责复合管材成型以后的后处理，所述冷却单元为冷却区12，测量单元为测量区13，卷绕单元包括绕线器14、大线盘16、小线盘17，裁切单元为切割刀15。
子母线盘
本发明中，“子母线盘”包括母绕线盘、子绕线盘和轴承。
在一个优选实施例中，所述的子母线盘还包括连接杆。
在本发明中，所述的子母线盘负责复合管材成型以后的装配，所述母绕线盘为大绕线盘16，子绕线盘为小绕线盘17，大小绕线盘分别对应的轴承为18和19，子母绕线盘可以分开放置，也可以通过连接杆20将轴承18和19连接起来方便存储和运输，连接方式可以是同轴、平行或其他方式。
连续丝材增强3D打印耗材的制备方法
本发明中，将原来的3D打印圆丝做成管状塑料外壳，中空部分填充连续丝材，连续丝材可以活动，丝材长度可以自由调节。拉丝工艺采用同轴电缆推挤成型和塑料管材挤出成型相结合。
拉丝工艺分为三部分：连续丝材前处理部分，复合管材成型部分及后处理部分。连续丝材前处理部分负责连续丝材的供应及原位表面处理，复合管材成型部分负责复合管材的成型，后处理部分包括冷却、测量、绕丝、裁切等工序。
典型地，在一个优选实施例中，根据管材截面积和打印头出料孔面积的比例，计算得出纤维长度L1与复合管材的长度L2的比例A。采用两个绕丝盘，其中一个绕丝盘先绕一段(A-1)×L2的连续丝材，另一个绕丝盘再开始绕复合管材。
打印时采用子母线盘，一个母线盘中为含连续丝材的复合管材，子线盘为冗余连续丝材。这样可以有效解决打印过程中，连续丝材和复合管材用量不同步的问题。综上所述，本发明可以实现连续丝材增强3D打印耗材的制备，提供FDM件的打印强度，促进FDM类3D技术的工程化应用。
本发明的主要优点包括：
(a)本发明拉丝工艺不仅能够制备普通FDM打印耗材，而且能够制备连续丝材增强FDM打印耗材；
(b)本发明拉丝工艺中，复合管材中，连续丝材和管为同轴结构，有利于增加挤出过程中丝材分布的均匀性；
(c)本发明拉丝工艺有利于增强丝材的原位改性，增加丝材和基体的结合力；
(d)本发明拉丝工艺对不同FDM打印机的通用性较好，能显著提高FDM打印件的抗拉和抗弯强度。
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。
参见图1，本发明3D打印耗材拉丝设备包括连续丝材前处理装置20、复合管材成型单元30及后处理装置40三部分组成。
实施例1
参见图2，连续丝材前处理装置包括线盘1、滑轮2、化学处理池3和干燥器4四部分。对于部分对丝材表面不敏感的基材，前处理装置可以省略为线盘1，其他可以忽略。
实施例2
参见图3，复合管材成型单元包括充气孔5、密封圈6、传动齿轮7、套筒8、加热器9、管壳体原料入口21、挤出螺杆10、模头11，如果对氧含量不敏感，充气孔5和密封圈6可以省略。
实施例3
参见图4，后处理装置包括冷却区12、测量区13、绕线器14、切割刀15、大线盘16、小线盘17。
实施例4
参见图5，“子母线盘”包括母绕线盘、子绕线盘和轴承。
子母线盘负责复合管材成型以后的装配，其中母绕线盘为大绕线盘16，子绕线盘为小绕线盘17，大小绕线盘分别对应的轴承为18和19，子母绕线盘可以分开放置，也可以通过连接杆20将轴承18和19连接起来方便存储和运输，连接方式可以是同轴、平行或其他方式。
实施例5
采用本发明拉丝设备对3D打印耗材进行拉丝的工艺关键为连续丝材(例如纤维丝)和复合管材中的管(例如塑料管)为同轴结构，挤出螺杆中心部分走连续纤维丝，模具环形孔挤出管状塑料。连续纤维丝可以在管中自由活动。管的外径为1.5～3.5mm，内径为1.0～2.8mm。绕线部分有两个线轴，其中线轴一先绕一段连续纤维丝，然后线轴二再绕复合管材(例如同轴塑料套管和连续纤维)。塑料套管和连续纤维丝的总长度比根据塑料管截面积和3D打印喷头出丝孔截面积的比例确定。如塑料管外径1.75mm，内径1mm，3D打印头出丝孔直径0.4mm，则连续纤维丝与塑料套管的长度比为：(1.752-12)/0.42＝12.89。也就是先绕1189米连续纤维丝，再绕100米同轴塑料套管和连续纤维丝。
(D外 2-D内 2)/D打印头 2＝L纤维丝/L塑料管。
D外：塑料管外径；
D内：塑料管内径；
D打印头：打印头出丝孔直径；
L纤维丝：纤维丝长度；
L塑料管：塑料管长度。
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打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述拉丝设备包括：
(1)送丝单元，所述送丝单元用于供送连续的第一丝材，其中所述的第一丝材选自下组：纤维丝、金属丝或其组合；
(2)管壳体原料供送单元，所述的管壳体原料供送单元用于供送管壳体原料；
(3)复合管材成型单元，所述复合管材成型单元用于将来自所述管壳体原料供送单元的管壳体原料与来自送丝单元的连续的第一丝材，同轴挤出形成复合管材，其中，所述的管壳体原料形成中空管材，而所述的连续的第一丝材位于所述中空管材的中空部分并且所述第一丝材相对于中空管材是可移动的；和
(4)卷绕单元，所述卷绕单元包括第一卷绕器和第二卷绕器，其中第一卷绕器用于卷绕来自所述复合管材成型单元的复合管材，所述的第二卷绕器用于卷绕连续的第二丝材，所述的第二丝材选自下组：纤维丝、金属丝或其组合。
2.如权利要求1所述的3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述的拉丝设备还包括化学处理单元，所述化学处理单元位于送丝单元下游和复合管材成型单元上游。
3.如权利要求1所述的3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述的拉丝设备还包括干燥单元，所述干燥单元位于化学处理单元下游和复合管材成型单元上游。
4.如权利要求1所述的3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述的拉丝设备还包括冷却单元，所述冷却单元位于复合管材成型单元下游和卷绕单元上游。
5.如权利要求1所述的3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述的拉丝设备还包括测量单元，所述测量单元位于冷却单元的下游和卷绕单元的上游。
6.如权利要求1所述的3D打印耗材拉丝设备，其特征在于，所述卷绕单元还包括绕线器。
7.一种对3D打印耗材进行拉丝的方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-6中任一所述的3D打印耗材拉丝设备进行拉丝，包括：
(1)送丝步骤；
(2)管壳体原料供送步骤；
(3)复合管材成型步骤；和
(4)卷绕步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述复合管材成型步骤中，挤出螺杆中心部分走连续的第一丝材，模具环形孔挤出管状外壳，所述连续的第一丝材和管状外壳为同轴结构，连续的第一丝材可在管中自由活动。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述复合管材成型步骤是在空气气氛、惰性气氛或者还原气氛下进行。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的卷绕步骤中采用两个卷绕器，其中一个卷绕器先绕复合管材，然后另外一个卷绕器再绕第二丝材，复合管材和第一丝材与第二丝材的长度之和的比例根据管状外壳截面积与3D打印喷头出丝孔截面积的比例确定。
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