CN112721164A - 用于3d打印pcl材料的制备装置及其制备方法 - Google Patents

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吕忠利
王崇
刘春雨
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Abstract

本发明涉及高分子材料制备技术领域，且公开了用于3D打印PCL材料的制备装置及其制备方法，第一步首先将聚己内酯80‑95g、淀粉5‑20g、扩链剂44681g、润滑剂硬脂酸钙5g、抗菌剂0.5g、二氧化硅3‑5g、聚乙二醇5‑15g加入到密封袋中，手动将物料摇匀，通过按照配方比例，称取物料。该用于3D打印PCL材料的制备装置及其制备方法，通过该材料打印温度低，精度高，打印性能较好，同时本发明制备方法简单易行，条件可控，制备成本低，本发明制作的低温3D打印耗材对3D打印设备要求度低，选择性广，一般家用型3D打印机亦可使用，进而使该材料的适应范围更广，使更多的人员可以使该材料进行3D打印，进而使打印的成本降低。

Description

用于3D打印PCL材料的制备装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料制备技术领域，具体为用于3D打印PCL材料的制备装置及其制备方法。
背景技术
熔融沉积成型工艺是一种通过加热的方式将各种丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)熔化并进行定点堆积的成型方法，通俗来讲就是利用高温将材料融化成液态，通过打印头挤出后固化,最后在立体空间上排列形成立体实物。熔融沉积成型是3D打印技术的一种，其在3D打印领域有着至关重要的地位。这是由于它成型方式较为简单，成型精度高，打印模型硬度好,推广性较强，不依靠激光作为成型能源，打印设备的成本较低，从而成为目前最流行的3D打印技术。
但常用的一些FDM型3D打印热塑性材料如聚乳酸(PLA,170-230℃)、丙烯腈一丁二烯苯乙烯共聚物(ABS,217-237℃)、聚碳酸酯(PC,215-225℃)打印温度均在200℃以上,成型温度较高，而高温意味着高能耗以及低安全性，特别是在家庭环境中使用时，容易对儿童等自我保护能力较差的人群造成危害。
PCL是一种线性脂肪族聚酯室温下为半结晶状态，其熔点(59-64℃)也相对较低。这些基本性质赋予它良好的生物降解性/生物相容性、柔韧性、加工性,这些都是PCL可以作为低温FDM型3D打印材料的良好基础。但是，单纯的PCL作为3D打印材料来说，存在凝固慢、熔体强度低、不易成型等问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了用于3D打印PCL材料的制备方法，具备对3D打印设备要求度低，选择性广，一般家用型3D打印机亦可使用等优点，解决了PCL作为3D打印材料来说，存在凝固慢、熔体强度低、不易成型等问题的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：用于3D打印PCL材料的制备方法，第一步首先将聚己内酯80-95g、淀粉5-20g、扩链剂44681g、润滑剂硬脂酸钙5g、抗菌剂0.5g、二氧化硅3-5g、聚乙二醇5-15g加入到密封袋中，手动将物料摇匀，通过按照配方比例，称取物料，第二步将共混后的一部分物料加入到双螺杆挤出机中洗车，将双螺杆挤出机清洗干净后加入剩余的物料进行双螺杆共混，将双螺杆挤出机挤出的线材通过造粒机造粒，挤出温度90℃螺杆转速60线材直径1.75。
优选的，在配方润滑剂中加入EBS分数为0.5～2份其作为脱模剂润滑剂可使产品加工性能更优越，取消配方中的甘油，通过接枝热塑性单体获得的热塑性淀粉直接与聚己内酯共混，二者的相容性相对于纯淀粉与聚己内酯共混要好。
优选的，在配方中加入20～40份的聚乳酸或聚乙二醇使得线材综合性能更好，线材尺寸为1.65～1.75mm，复合材料3D打印条件范围：喷口温度80～90摄氏度底板温度20～25摄氏度喷口移动速度和进丝速度小于等于40mm/s～90mm/s。
优选的，用于3D打印PCL材料的制备装置，包括双螺杆挤出机，所述双螺杆挤出机上设置有挤出机头，所述挤出机头的前侧固定连接有气体通道，所述气体通道的内部为中空结构，所述气体通道的前侧固定连接有第一箱体，所述第一箱体的内部同样为中空结构，所述第一箱体的底部与双螺杆挤出机的顶部固定连接，所述第一箱体的前侧开设有排气口，所述排气口的内部固定连接有第二过滤网，所述第一箱体内部的后表面固定连接有挡板，所述挡板上均匀开设有小孔，所述第一箱体的内部固定连接有隔板，所述第一箱体内部后腔室的下表面滑动连接有收集盒，所述隔板的内部固定连接有过滤箱体，所述过滤箱体的内部为中空结构，所述过滤箱体的前侧固定连接有抽风机，所述过滤箱体上设置有废气净化清扫装置。
优选的，所述气体通道的内部与挤出机头的内部相通，所述气体通道的内部与第一箱体的内部相通。
优选的，所述隔板将第一箱体的内部分割为前后两个腔室，所述抽风机的输入端贯穿过滤箱体的内部并延伸至过滤箱体的内部。
优选的，所述废气净化清扫装置包括第一过滤网，所述第一过滤网的表面与过滤箱体的内壁固定连接，所述过滤箱体的内部固定连接有活性炭层，所述过滤箱体的内部固定连接有消毒材料层，所述隔板的后侧固定连接有电机，所述电机的转动端固定连接有转动盘，所述转动盘的后侧转动连接有传动杆，所述过滤箱体的后侧固定连接有滑轨，所述滑轨的数量为两个，两个所述滑轨的内部滑动连接有固定杆，所述滑轨的前侧设置有毛刷。
优选的，所述活性炭层的数量为两个，两个所述活性炭层呈镜像形式设置在过滤箱体内部的前后两侧，所述消毒材料层在两个活性炭层之间且与两个活性炭层互不接触。
优选的，所述传动杆位于转动盘后侧远离转动盘的圆心处。
优选的，两个所述滑轨呈镜像形式设置过滤箱体后侧的左右两侧，所述滑轨的内部同样为中空结构，所述传动杆底部的前侧与固定杆的后侧转动连接。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了用于3D打印PCL材料的制备方法，具备以下有益效果：
1、该用于3D打印PCL材料的制备装置及其制备方法，通过该材料打印温度低，精度高，打印性能较好，同时本发明制备方法简单易行，条件可控，制备成本低，本发明制作的低温3D打印耗材对3D打印设备要求度低，选择性广，一般家用型3D打印机亦可使用，进而使该材料的适应范围更广，使更多的人员可以使该材料进行3D打印，进而使打印的成本降低。
2、该用于3D打印PCL材料的制备装置及其制备方法，通过本发明工艺解决了PCL3D打印时冷却凝固慢的问题，也解决了热塑性淀粉与PCL的相容性不好以及复合材料强度的问题，此配方强度较大，在家庭环境中使用时，不易对儿童等自我保护能力较差的人群造成危害，使儿童等弱势人群的人身健康得到一定程度的保障，在一定程度上使3D打印的环境更加的安全，进而使该材料可以更方便的被使用。
3、该用于3D打印PCL材料的制备装置及其制备方法，通过第一过滤网对废气进行二次过滤，将废气中的杂质进一步净化，经过滤后的废气进入过滤箱体的内部，先被消毒材料层后侧的活性炭层进行有害物质过滤吸附，然后被消毒材料层进行再次吸附，经消毒材料层净化后的废气被消毒材料层前侧的活性炭层进行再次吸收过滤，进而使废气的被净化的更加彻底，进而减少废气对人体的危害，使工人的工作环境更加的安全，使工人的身体安健康得到加强，使工厂从小事上做到生产以工人安全为主的理念。
4、该用于3D打印PCL材料的制备装置及其制备方法，通过电机转动使转动盘进行转动，通过传动杆位于转动盘后侧远离转动盘的圆心处，进而使传动杆可以跟随转动盘进行偏心转动，进而使固定杆在滑轨的内部进行上下移动，并对第一过滤网的后侧的灰尘进行清扫，进而使装置可以更好的对废气进行过滤，同时使第一过滤网在长时间使用后，第一过滤网后侧的灰尘可以得到及时的清扫，进而使第一过滤网可以更加便捷的对废气进行过滤，同时使工人可以更加方便的对第一过滤网进行清扫，进而在一定程度上减少工人们吸入有害的气体，使工人们的身体健康的得到加强。
5、该用于3D打印PCL材料的制备装置及其制备方法，通过第一箱体的前侧开设有排气口，排气口的内部固定连接有第二过滤网，排气口可以使第一箱体内部的气体流向外界环境，通过第二过滤网可以防止一些较小的昆虫进入第一箱体的内部，对装置进行破坏，进而使装置可以更好的对废气进行净化，进而保障工人工作环境的安全，使工人可以更加安全的进行工作。
附图说明
图1为本发明双螺杆挤出机结构示意图；
图2为本发明第一箱体的内部结构示意图；
图3为本发明过滤箱体剖视结构示意图；
图4为本发明过滤箱体后侧平面结构示意图。
图中：1双螺杆挤出机、2挤出机头、3排气口、4第一箱体、5气体通道、6抽风机、7过滤箱体、8电机、9收集盒、10转动盘、11挡板、12活性炭层、13消毒材料层、14第一过滤网、15传动杆、16滑轨、17固定杆、18第二过滤网、19隔板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：用于3D打印PCL材料的制备方法，按下列步骤操作生产：
第一步：首先将聚己内酯80g、淀粉20g、扩链剂44681g、润滑剂硬脂酸钙5g、抗菌剂0.5g、二氧化硅5g、聚乙二醇5g加入到密封袋中，手动将物料摇匀，通过按照配方比例，称取物料，同时配方严重影响PCL的熔点以此决定PCL成品的3D打印性能，同时在室温环境下将物料放入密封袋中摇匀，放入烘箱中烘数个小时使PCL粘度上升从而更易混合均匀；
第二步：将共混后的一部分物料加入到双螺杆挤出机中洗车，将双螺杆挤出机清洗干净后加入剩余的物料进行双螺杆共混，将双螺杆挤出机挤出的线材通过造粒机造粒，挤出温度90℃螺杆转速60线材直径1.75；
第三步：配方润滑剂中加入EBS分数为0.5份其作为脱模剂润滑剂可使产品加工性能更优越，同时取消配方中的甘油，通过接枝热塑性单体获得的热塑性淀粉直接与聚己内酯共混，二者的相容性相对于纯淀粉与聚己内酯共混要好，同时在配方中加入20份的聚乳酸或聚乙二醇可以使得线材综合性能更好，线材尺寸为1.65mm；
第四步：复合材料3D打印条件范围，喷口温度80摄氏度底板温度20摄氏度喷口移动速度和进丝速度小于等于40mm/s；
该材料打印温度低，精度高，打印性能较好。
实施例二：用于3D打印PCL材料的制备方法，按下列步骤操作生产：
第一步：首先将聚己内酯95g、淀粉5g、扩链剂44681g、润滑剂硬脂酸钙5g、抗菌剂0.5g、二氧化硅3g、聚乙二醇15g加入到密封袋中，手动将物料摇匀，通过按照配方比例，称取物料，配方严重影响PCL的熔点以此决定PCL成品的3D打印性能，同时在室温环境下将物料放入密封袋中摇匀，放入烘箱中烘数个小时使PCL粘度上升从而更易混合均匀；
第二步：将共混后的一部分物料加入到双螺杆挤出机中洗车，将双螺杆挤出机清洗干净后加入剩余的物料进行双螺杆共混，将双螺杆挤出机挤出的线材通过造粒机造粒，挤出温度90℃螺杆转速60线材直径1.75；
第三步：配方润滑剂中加入EBS分数为2份其作为脱模剂润滑剂可使产品加工性能更优越，同时取消配方中的甘油，通过接枝热塑性单体获得的热塑性淀粉直接与聚己内酯共混，二者的相容性相对于纯淀粉与聚己内酯共混要好，同时在配方中加入40份的聚乳酸或聚乙二醇可以使得线材综合性能更好，线材尺寸为1.75mm；
第四步：复合材料3D打印条件范围，喷口温度90摄氏度底板温度25摄氏度喷口移动速度和进丝速度小于等于90mm/s；
该方法解决了PCL 3D打印时冷却凝固慢的问题，也解决了热塑性淀粉与PCL的相容性不好以及复合材料强度的问题，此配方强度较大。
用于3D打印PCL材料的制备装置，请参阅图1-图4，包括双螺杆挤出机1，双螺杆挤出机1上设置有挤出机头2，双螺杆挤出机1与挤出机头2均为现有结构，在此不做过多赘述，双螺杆挤出机1连接外部电源进行工作，挤出机头2可以将物料挤出成线材，挤出机头2的前侧固定连接有气体通道5，气体通道5的内部为中空结构，气体通道5的内部与挤出机头2的内部相通，气体通道5的前侧固定连接有第一箱体4，第一箱体4的内部同样为中空结构，气体通道5的内部与第一箱体4的内部相通，第一箱体4的底部与双螺杆挤出机1的顶部固定连接，第一箱体4的前侧开设有排气口3，排气口3的内部固定连接有第二过滤网18，排气口3可以使第一箱体4内部的气体流向外界环境，通过第二过滤网18可以防止一些较小的昆虫进入第一箱体4的内部，对装置进行破坏，第一箱体4内部的后表面固定连接有挡板11，挡板11上均匀开设有小孔，在挤出机头2进行工作时，产生的废气从气体通道5的内部进入第一箱体4的内部，当废气进入第一箱体4的内部时，挡板11对废气进行阻挡，使气体从挡板11上的小孔经过继续流动，废气中携带的一些小颗粒经挡板11阻挡后在第一箱体4的内部落下，第一箱体4的内部固定连接有隔板19，隔板19将第一箱体4的内部分割为前后两个腔室，第一箱体4内部后腔室的下表面滑动连接有收集盒9，收集盒9可以对一些细小的颗粒和灰尘等垃圾进行收集，隔板19的内部固定连接有过滤箱体7，过滤箱体7的内部为中空结构，过滤箱体7的前侧固定连接有抽风机6，抽风机6的输入端贯穿过滤箱体7的内部并延伸至过滤箱体7的内部，抽风机6为现有结构，在此不做过多赘述，抽风机6连接外部电源启动，抽风机6可以对挤出机头2内部产生的废气进行吸取与排放，过滤箱体7上设置有废气净化清扫装置；
废气净化清扫装置包括第一过滤网14，第一过滤网14的表面与过滤箱体7的内壁固定连接，第一过滤网14可以对废气进行二次过滤，将废气中的杂质进一步净化，过滤箱体7的内部固定连接有活性炭层12，活性炭层12的数量为两个，两个活性炭层12呈镜像形式设置在过滤箱体7内部的前后两侧，活性炭层12可以对废气中的有害物质进行吸附，过滤箱体7的内部固定连接有消毒材料层13，消毒材料层13可以对废气中的有害气体进行再次吸收，使空得到净化，消毒材料层13在两个活性炭层12之间且与两个活性炭层12互不接触，消毒材料层13前侧的活性炭层12可以对消毒材料层13净化后的气体进行再次过滤，进而使废气的被净化的更加彻底，进而减少废气对人体的危害，使工人的工作环境更加的安全，经活性炭层12与消毒材料层13净化后的废气，被抽风机6吸收并排放至第一箱体4内部的前腔室，净化后的气体从排气口3的内部排出；
第一过滤网14可以对废气进行二次过滤，将废气中的杂质进一步净化，经过滤后的废气进入过滤箱体7的内部，先被消毒材料层13后侧的活性炭层12进行有害物质过滤吸附，然后被消毒材料层13进行再次吸附，经消毒材料层13净化后的废气被消毒材料层13前侧的活性炭层12进行再次吸收过滤，进而使废气的被净化的更加彻底，进而减少废气对人体的危害，使工人的工作环境更加的安全，使工人的身体安健康得到加强，使工厂从小事上做到生产以工人安全为主的理念；
隔板19的后侧固定连接有电机8，电机8为现有结构，在此不做过多赘述，电机8连接外部电源进行启动，电机8的转动端固定连接有转动盘10，电机8转动可以带动转动盘10进行转动，转动盘10的后侧转动连接有传动杆15，传动杆15可以在转动盘10的后侧进行转动，传动杆15位于转动盘10后侧远离转动盘10的圆心处，进而使传动杆15可以跟随转动盘10进行偏心转动，过滤箱体7的后侧固定连接有滑轨16，滑轨16的数量为两个，两个滑轨16呈镜像形式设置过滤箱体7后侧的左右两侧，滑轨16的内部同样为中空结构，两个滑轨16的内部滑动连接有固定杆17，固定杆17可以在滑轨16的内部进行上下滑动，滑轨16的前侧设置有毛刷，通过滑轨16的上下移动，可以使滑轨16对第一过滤网14后侧的灰尘进行清扫，传动杆15底部的前侧与固定杆17的后侧转动连接，传动杆15可以在固定杆17的后侧进行转动；
电机8转动使转动盘10进行转动，通过传动杆15位于转动盘10后侧远离转动盘10的圆心处，进而使传动杆15可以跟随转动盘10进行偏心转动，进而使固定杆17在滑轨16的内部进行上下移动，并对第一过滤网14的后侧的灰尘进行清扫，进而使装置可以更好的对废气进行过滤，同时使第一过滤网14在长时间使用后，第一过滤网14后侧的灰尘可以得到及时的清扫，进而使第一过滤网14可以更加便捷的对废气进行过滤，同时使工人可以更加方便的对第一过滤网14进行清扫，进而在一定程度上减少工人们吸入有害的气体，使工人们的身体健康的得到加强。
工作原理：该用于3D打印PCL材料的制备装置在使用时；
第一步：双螺杆挤出机1连接外部电源使挤出机头2将物料挤出成线材；
第二步：抽风机6连接外部电源启动，抽风机6对挤出机头2内部产生的废气进行吸取；
第三步：当废气进入第一箱体4的内部时，挡板11对废气进行阻挡，使气体从挡板11上的小孔经过继续流动，废气中携带的一些小颗粒经挡板11阻挡后落入收集盒9的内部；
第四步：第一过滤网14对废气进行二次过滤，将废气中的杂质进一步净化，经过滤后的废气进入过滤箱体7的内部，先被消毒材料层13后侧的活性炭层12进行有害物质过滤吸附，然后被消毒材料层13进行再次吸附，经消毒材料层13净化后的废气被消毒材料层13前侧的活性炭层12进行再次吸收过滤，进而使废气的被净化的更加彻底；
第五步：电机8转动使转动盘10进行转动，通过传动杆15位于转动盘10后侧远离转动盘10的圆心处，进而使传动杆15可以跟随转动盘10进行偏心转动，进而使固定杆17在滑轨16的内部进行上下移动，并对第一过滤网14的后侧的灰尘进行清扫，进而使装置可以更好的对废气进行过滤，同时使第一过滤网14在长时间使用后，第一过滤网14后侧的灰尘可以得到及时的清扫，进而使第一过滤网14可以更加便捷的对废气进行过滤。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.用于3D打印PCL材料的制备方法，其特征在于：
(1)、首先将聚己内酯80-95g、淀粉5-20g、扩链剂44681g、润滑剂硬脂酸钙5g、抗菌剂0.5g、二氧化硅3-5g、聚乙二醇5-15g加入到密封袋中，手动将物料摇匀，通过按照配方比例，称取物料；
(2)、将共混后的一部分物料加入到双螺杆挤出机中洗车，将双螺杆挤出机清洗干净后加入剩余的物料进行双螺杆共混，将双螺杆挤出机挤出的线材通过造粒机造粒，挤出温度90℃螺杆转速60线材直径1.75。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印PCL材料的制备方法，其特征在于：在配方润滑剂中加入EBS分数为0.5～2份其作为脱模剂润滑剂可使产品加工性能更优越，取消配方中的甘油，通过接枝热塑性单体获得的热塑性淀粉直接与聚己内酯共混，二者的相容性相对于纯淀粉与聚己内酯共混要好。
3.根据权利要求1所述的用于3D打印PCL材料的制备方法，其特征在于：在配方中加入20～40份的聚乳酸或聚乙二醇使得线材综合性能更好，线材尺寸为1.65～1.75mm，复合材料3D打印条件范围：喷口温度80～90摄氏度底板温度20～25摄氏度喷口移动速度和进丝速度小于等于40mm/s～90mm/s。
4.用于3D打印PCL材料的制备装置，包括双螺杆挤出机(1)，所述双螺杆挤出机(1)上设置有挤出机头(2)，其特征在于：所述挤出机头(2)的前侧固定连接有气体通道(5)，所述气体通道(5)的内部为中空结构，所述气体通道(5)的前侧固定连接有第一箱体(4)，所述第一箱体(4)的内部同样为中空结构，所述第一箱体(4)的底部与双螺杆挤出机(1)的顶部固定连接，所述第一箱体(4)的前侧开设有排气口(3)，所述排气口(3)的内部固定连接有第二过滤网(18)，所述第一箱体(4)内部的后表面固定连接有挡板(11)，所述挡板(11)上均匀开设有小孔，所述第一箱体(4)的内部固定连接有隔板(19)，所述第一箱体(4)内部后腔室的下表面滑动连接有收集盒(9)，所述隔板(19)的内部固定连接有过滤箱体(7)，所述过滤箱体(7)的内部为中空结构，所述过滤箱体(7)的前侧固定连接有抽风机(6)，所述过滤箱体(7)上设置有废气净化清扫装置。
5.根据权利要求4所述的用于3D打印PCL材料的制备装置，其特征在于：所述气体通道(5)的内部与挤出机头(2)的内部相通，所述气体通道(5)的内部与第一箱体(4)的内部相通。
6.根据权利要求4所述的用于3D打印PCL材料的制备装置，其特征在于：所述隔板(19)将第一箱体(4)的内部分割为前后两个腔室，所述抽风机(6)的输入端贯穿过滤箱体(7)的内部并延伸至过滤箱体(7)的内部。
7.根据权利要求4所述的用于3D打印PCL材料的制备装置，其特征在于：所述废气净化清扫装置包括第一过滤网(14)，所述第一过滤网(14)的表面与过滤箱体(7)的内壁固定连接，所述过滤箱体(7)的内部固定连接有活性炭层(12)，所述过滤箱体(7)的内部固定连接有消毒材料层(13)，所述隔板(19)的后侧固定连接有电机(8)，所述电机(8)的转动端固定连接有转动盘(10)，所述转动盘(10)的后侧转动连接有传动杆(15)，所述过滤箱体(7)的后侧固定连接有滑轨(16)，所述滑轨(16)的数量为两个，两个所述滑轨(16)的内部滑动连接有固定杆(17)，所述滑轨(16)的前侧设置有毛刷。
8.根据权利要求7所述的用于3D打印PCL材料的制备装置，其特征在于：所述活性炭层(12)的数量为两个，两个所述活性炭层(12)呈镜像形式设置在过滤箱体(7)内部的前后两侧，所述消毒材料层(13)在两个活性炭层(12)之间且与两个活性炭层(12)互不接触。
9.根据权利要求7所述的用于3D打印PCL材料的制备装置，其特征在于：所述传动杆(15)位于转动盘(10)后侧远离转动盘(10)的圆心处。
10.根据权利要求7所述的用于3D打印PCL材料的制备装置，其特征在于：两个所述滑轨(16)呈镜像形式设置过滤箱体(7)后侧的左右两侧，所述滑轨(16)的内部同样为中空结构，所述传动杆(15)底部的前侧与固定杆(17)的后侧转动连接。
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