CN109594134B - 一种基于fdm成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝装置。该设备由原FDM成型设备上的挤出喷头模块和静电纺丝单元构成，其静电纺丝单元包括自行组装高压静电场组装装置和自行组装静电场高压控制模块。所述FDM纺丝喷头是在原有FDM成型设备模头基础上改制，采用计算程序控制喷头温度和齿轮进线速度，来实现3D打印线材的熔融和缓慢进线。自行组装静电场高压控制模块为独立模块，用于控制高压静电场组装模块中接收转盘的转速和可调式静电场电压。本发明采用常见的3D打印耗材进行微纳米级熔融静电纺丝，可实现基于FDM成型设备组装熔融静电纺丝的工艺。
Description
技术领域
本发明属于静电纺丝和3D打印成型设备结合领域，特别涉及一种新型设备基于FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝装置。
背景技术
熔融沉积成型（FDM）设备为3D打印主流技术之一，也是构建功能化聚合物制品的成型手段之一，其设备具有占地面积小、成型环境相对安全、成型耗材多元化、成型成本低廉和成型精度较高等优异特点，广泛应用于金属，无机，有机聚合物材料特殊成型。
熔融静电纺丝是制备聚合物纳米纤维成型的可选方法之一，具有广泛的应用前景，可以实现工业化。但此方法制备的纤维直径比较大，多为微米级别，难达到纳米尺度。为了进一步降低纤维直径，提高聚合物纤维性能，只能从如下三个角度改进：1.改装熔融静电纺丝设备；2.纺丝工艺；3筛选可熔融纺丝的聚合物材料。
本发明结合两种成型设备的优异特点，自行搭建了一种基于FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝装备，并对其FDM成型设备的挤出喷头模块进行了适当的调整改装，且通过筛选可熔融纺丝的聚合物3D打印线材材料，采用正常的静电纺丝工艺，展望实现微纳米级纤维的可批量生产。
发明内容
针对现有溶液静电纺丝和熔融静电纺丝技术的不足，结合熔融静电纺丝和熔融沉积成型（FDM）设备的优势，本发明的目的是提供一种较为简易的熔融静电纺丝设备，通过基于改装FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝设备，通过采用正常的静电纺丝工艺，将常见3D打印线材（ABS,PLA,PET,PBT,PMMA）作为熔融纺丝基材，提供一种简易制备微纳米级纤维的方法。
本发明的目的是这样实现的，一种基于FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝装置，其特征在于，包括FDM成型设备和静电纺丝单元，所述静电纺丝单元，其包括高压静电场组装装置和静电场高压控制模块；
所述的FDM成型设备，包括FDM纺丝模头、FDM挤出喷头的进线管、FDM纺丝模头驱动装置、齿轮、FDM打印线材线盘， FDM成型设备的线材进线，在程序控制下FDM纺丝模头驱动装置的马达驱动齿轮缓慢进线，经FDM纺丝模头的进线管，在喷头处高温加热迅速熔融，玻璃外罩用于防止触电；
所述的高压静电场组装装置，包括电机支撑架，电机支撑架接高压地端，电机，电机外壳接高压地端，绝缘隔离配件，绝缘隔离板，另一绝缘隔离配件，纺丝接收盘，纺丝接收盘接高压正端，所述的电机支撑架，电机，绝缘隔离配件，绝缘隔离板、另一绝缘隔离配件和纺丝接收盘从下往上依次按顺序垂直组装，通过轴串联连接，且定位采用螺钉定位；且电机支撑架、电机、绝缘隔离配件、绝缘隔离板、另一绝缘隔离配件、纺丝接收盘均保持在同一垂直轴线上；排气扇设置在玻璃外罩的背面；
所述的静电场高压集成控制模块，包括控制箱；
所述静电场高压集成控制模块通过导线与FDM成型设备、高压静电场组装装置连接，FDM成型设备设于高压静电场组装装置上方。
所述FDM成型设备上的纺丝喷头，其挤出喷头的直径为0.2~0.5mm，采用计算程序控制喷头温度和齿轮进线速度，来实现3D打印线材的熔融和缓慢进线，且纺丝喷头侧面接地端。
所述控制箱包括控制箱温控开关、控制箱急停开关、控制箱电源开关、控制箱运行开关、控制箱高压直流电源表、控制箱排气开关、控制箱启动开关、控制箱换气开关、控制箱调速开关，用于控制接收转盘的转速和可调式高压静电场的电压范围1.5~30KV。
上述的FDM纺丝喷头处于高压静电场组装装置正下方，且FDM纺丝喷头与高压静电场组装装置中接收板的距离为10~15cm，保持垂直同轴；静电场高压控制模块与FDM纺丝喷头均为独立模块，静电场高压控制模块与高压静电场组装装置通过导线连接至相对应的控制面板单元模块。
本发明的优点是：结合了静电纺丝和熔融沉积成型（FDM）两种不同成型方式的优势，改装的成型设备简单，易实现基于改装FDM成型设备组装熔融静电纺丝。
附图说明
图1为FDM成型设备上的挤出喷头模块、高压静电场组装装置与静电场高压集成控制模块组装结构示意图。
图2为图1中的高压静电场组装装置。
图3为图1中的FDM成型设备上的挤出喷头的结构示意图。
图4为图1中的静电场高压集成控制模块的结构示意图。
图中：1.电机支撑架（支撑架接高压地端）；2.电机（外壳接高压地端）；3.绝缘隔离配件；4.绝缘隔离板；5. 另一绝缘隔离配件；6.排气扇；7.纺丝接收盘(接收盘接高压正端)；8.FDM纺丝模头；9. FDM挤出喷头的进线管；10. FDM纺丝模头驱动装置；11.齿轮；12.FDM打印线材线盘；13.玻璃外罩；14.控制箱；15.控制箱温控开关；16.控制箱急停开关；17.控制箱电源开关；18.控制箱运行开关；19.控制箱高压直流电源表；20.控制箱排气开关；21.控制箱启动开关；22.控制箱换气开关；23.控制箱调速开关。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：
实例1
如图1所示，本发明所述的一种基于FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝装置，包括FDM成型设备和静电纺丝单元，所述静电纺丝单元，其包括高压静电场组装装置和静电场高压控制模块。具体包括高压静电场组装装置、FDM成型设备和静电场高压集成控制模块，静电场高压集成控制模块通过导线与FDM成型设备、高压静电场组装装置连接，FDM成型设备设于高压静电场组装装置上方，高压静电场组装装置连接至控制箱14；
所述的高压静电场组装装置，包括电机支撑架1（支撑架接高压地端）、电机2（外壳接高压地端）、绝缘隔离配件3、绝缘隔离板4、另一绝缘隔离配件5、纺丝接收盘7 (接收盘接高压正端)，上述各零部件从下往上依次按顺序垂直组装，通过轴串联连接，且定位采用螺钉定位。高压静电场组装装置中的电机支撑架1（支撑架接高压地端）、电机2（外壳接高压地端）、绝缘隔离配件3、绝缘隔离板4、另一绝缘隔离配件5、纺丝接收盘7 (接收盘接高压正端)各零部件保持在同一垂直轴线上，由安装在另一绝缘隔离配件5与纺丝接收盘7 (接收盘接高压正端)之间的定位轴承调节。排气扇6设置在装置的玻璃外罩13的背面，独立设置。工作原理：3D打印线材通过小马达传动系统驱动进线，经加热系统控制系喷头温度迅速熔融，在传动系统的驱动下，挤出系统中的线材进行挤压及熔融，熔融物料从FDM纺丝喷头挤出，喷头在高压静电场作用下喷射，实现了基于FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝。
所述的FDM成型设备，FDM成型设备为市售产品，包括FDM纺丝模头8、FDM挤出喷头的进线管9、FDM纺丝模头驱动装置10、齿轮11、FDM打印线材线盘12，而FDM纺丝模头8、FDM挤出喷头的进线管9、FDM纺丝模头驱动装置10、齿轮11、FDM打印线材线盘12这些零部件都是原FDM成型设备零件。FDM纺丝模头8，采用耐高温金属材质结构，FDM挤出喷头的进线管9内层采用隔热耐高温塑料聚四氟乙烯材质结构，外层采用金属材质结构，目的是为了实现FDM设备可以连续进3D线材，纺丝模头8可短程高温迅速加热熔融，这样有益于实现熔融静电纺丝过程。FDM成型设备的线材进线，在程序控制下FDM纺丝模头驱动装置10的马达驱动齿轮11缓慢进线，经FDM纺丝模头的进线管9，在喷头处高温加热迅速熔融，该FDM成型设备的线材进线和模头温度程序是现有技术参数均可实现的。玻璃外罩13为独立模块，自行设计，主要是安全操作，防止触电。
所述的静电场高压集成控制模块，为现有技术产品，包括控制箱，控制箱包括控制箱温控开关15；控制箱急停开关16；控制箱电源开关17；控制箱运行开关18；控制箱高压直流电源表19；控制箱排气开关20；控制箱启动开关21；控制箱换气开关22；控制箱调速开关23等零部件及导线配件，其这些零部件都由导线连接。控制箱温控开关15主要控制静电纺丝过程密闭玻璃外罩里的温度；控制箱急停开关16、制箱电源开关17、控制箱启动开关21三个旋钮开关主要是起供电作用；控制箱排气开关20和控制箱换气开关22主要是静电纺丝过程密闭玻璃外罩里面排放异味气体，更换新鲜空气，以至于纺丝过程中可实现环保；控制箱调速开关23主要控制纺丝接收盘7的转速，使得从FDM纺丝模头喷射出来的纤维丝可以接收到转盘。
静电场高压集成控制模块主要通过导线与FDM成型设备、高压静电场组装装置组装连接，连接至控制箱14相对应的控制面板上的控制单元零部件控制箱温控开关15；控制箱急停开关16；控制箱电源开关17；控制箱运行开关18；控制箱高压直流电源表19；控制箱排气开关20；控制箱启动开关21；控制箱换气开关22；控制箱调速开关23等。
静电场高压集成控制模块主要用于调整水平式单螺杆熔融挤出法静电纺丝装置中的纺丝接收盘7滚动轴承旋转速度和控制箱高压直流电源19的输出的纺丝电压和电流。考虑到静电纺丝高压的安全起见，模块设置紧急开关，且从控制箱14引出地线连接至FDM成型设备中的纺丝喷头8侧面。控制箱14通过插头直接与插座连接通电，控制由控制面板上的开关操作。FDM成型设备也是通过插头直接与插座连接通电，控制由控制面板上的开关操作。
本发明所述的第一实施方式的基于FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝装备设计，其结构如附图所示,包括FDM成型设备上的挤出喷头模块和静电纺丝单元,其特征在于：
所述FDM成型设备上的纺丝喷头，为实验室原有现成的设备进行改装，挤出喷头的直径为0.2~0.5mm，3D打印线材进线的程序在原有FDM成型设备上调整实现，通过调整程序设定的驱动装置的转速首先控制齿轮进线速度，来实现3D打印线材缓慢进线。其次3D打印线材进线完成后通过FDM成型设备程序设定喷头温度，经纺丝喷头短程高温加热熔融。
所述静电纺丝单元，其包括高压静电场组装装置和静电场高压控制模块。
所述静电纺丝单元中自行搭建的高压静电场组装装置处于 FDM成型设备纺丝喷头的正下方。自行组装静电场高压控制模块为独立模块，用于控制高压静电场组装模块中接收转盘的转速和可调式高压静电场的电压范围1.5~30KV。
所述高压静电场组装装置，自行组装，主要结构由电机（外壳接高压地端），电机支撑架（支撑架接高压地端），绝缘隔离板，绝缘隔离配件，定位轴承，轴承支撑架，玻璃外罩等。
所述静电场高压集成控制模块，包括控制箱，为现有技术产品，由福州榕东安机械工程有限公司提供。
本发明在可调式高压静电发生模块上设有控制面板，所述控制面板上设显示屏，所述显示屏显示所述电纺纤维接收盘的旋转转速及电压范围，所述FDM成型设备的挤出喷头温度，加热系统控制系统温度均可以调节，可进一步提高基于FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝装备装置在使用过程的工艺可控性。
Claims (4)
1.一种基于FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝装置，其特征在于，包括FDM成型设备和静电纺丝单元，所述静电纺丝单元，其包括高压静电场组装装置和静电场高压控制模块；
所述的FDM成型设备，包括FDM纺丝模头、FDM挤出喷头的进线管、FDM纺丝模头驱动装置、齿轮、FDM打印线材线盘， FDM成型设备的线材进线，在程序控制下FDM纺丝模头驱动装置的马达驱动齿轮缓慢进线，经FDM纺丝模头的进线管，在喷头处高温加热迅速熔融，玻璃外罩用于防止触电；
所述的高压静电场组装装置，包括电机支撑架，电机支撑架接高压地端，电机，电机外壳接高压地端，绝缘隔离配件，绝缘隔离板，另一绝缘隔离配件，纺丝接收盘，纺丝接收盘接高压正端，所述的电机支撑架，电机，绝缘隔离配件，绝缘隔离板、另一绝缘隔离配件和纺丝接收盘从下往上依次按顺序垂直组装，通过轴串联连接，且定位采用螺钉定位；且电机支撑架、电机、绝缘隔离配件、绝缘隔离板、另一绝缘隔离配件、纺丝接收盘均保持在同一垂直轴线上；排气扇设置在玻璃外罩的背面；
所述的静电场高压集成控制模块，包括控制箱；
所述静电场高压集成控制模块通过导线与FDM成型设备、高压静电场组装装置连接，FDM成型设备设于高压静电场组装装置上方。
2.根据权利要求1所述的一种基于FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝装置，其特征在于，所述FDM成型设备上的纺丝喷头，其挤出喷头的直径为0.2~0.5mm，采用计算程序控制喷头温度和齿轮进线速度，来实现3D打印线材的熔融和缓慢进线，且纺丝喷头侧面接地端。
3.根据权利要求1所述的一种基于FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝装置，其特征在于，所述控制箱包括控制箱温控开关、控制箱急停开关、控制箱电源开关、控制箱运行开关、控制箱高压直流电源表、控制箱排气开关、控制箱启动开关、控制箱换气开关、控制箱调速开关，用于控制接收转盘的转速和可调式高压静电场的电压范围1.5~30KV。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于FDM成型设备组装微纳米级熔融静电纺丝装置，其特征在于， FDM纺丝喷头处于高压静电场组装装置正下方，且FDM纺丝喷头与高压静电场组装装置中接收板的距离为10~15cm，保持垂直同轴；静电场高压控制模块与FDM纺丝喷头均为独立模块，静电场高压控制模块与高压静电场组装装置通过导线连接至相对应的控制面板单元模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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