TWI696545B - 塑膠加工設備與方法 - Google Patents

Abstract

一種塑膠加工設備與方法。所述設備包括噴嘴以及輔助加熱的脈衝磁場產生器。噴嘴的材料是銅或鋁，脈衝磁場產生器則提供一磁場輸出，其中所述脈衝磁場產生器具有圍繞所述噴嘴的電感線圈。所述方法包括提供如上所述的設備，再傳送膠料條至噴嘴，其中膠料條內已預分散有磁性奈米粒子。利用所述脈衝磁場產生器提供的磁場輸出，使在噴嘴處分散在膠料條內的磁性奈米粒子受磁感應發熱而提高膠料條的溫度﹔因而增加膠料條的流動性，也藉此可縮小噴嘴的內徑。

Description

塑膠加工設備與方法

本發明是有關於一種塑膠加工技術，且特別是有關於一種塑膠加工設備與方法。

在塑膠加工過程中都需要通過加熱到熔融狀態，以便後續的塑性成型，所以有效的加熱熔融成為一個加工效能的指標，尤其在加熱區段長度與面積受到限制的塑膠加工領域，例如3D列印等。

舉例來說，3D列印加工技術中的熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，FDM)是使用熱塑性材料製的膠料條，並利用噴嘴（列印頭）將其加熱熔融成型的技術。目前FDM遭遇到的問題之一是成型品解析度無法提升，其原因是因為要確保膠料條於噴嘴內能完全熔融而順利流出，所以噴嘴的口徑無法進一步縮小。若是直接使用小口徑的噴嘴，易發生膠料條因熔融程度不足而無法流出噴嘴，導致成型品良率低。

本發明提供一種塑膠加工設備，能提高列印加工的解析度與精密度。

本發明提供另一種塑膠加工方法，能進一步加熱膠料條，藉以提高列印加工的解析度與精密度。

本發明的塑膠加工設備包括噴嘴以及脈衝磁場產生器。噴嘴的材料是銅或鋁，脈衝磁場產生器則提供一磁場輸出，其中所述脈衝磁場產生器具有圍繞所述噴嘴的電感線圈。

本發明的塑膠加工方法包括提供如上所述的塑膠加工設備，再傳送膠料條至噴嘴，其中膠料條內已分散有磁性奈米粒子。利用脈衝磁場產生器提供磁場輸出，使所述在噴嘴處已分散在膠料條內的磁性奈米粒子受磁感應發熱而提高膠料條的溫度。

基於上述，本發明藉由脈衝磁場產生器以非接觸式加熱的方式，能迅速加熱膠料條內具有磁感應加熱特性的磁性奈米粒子，而提高膠料條的溫度，達到迅速提升膠料條流動性的效果，因此噴嘴的口徑將不受限而可進一步縮減，並藉此提升成型品解析度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參考以下實施例及隨附圖式，以便更充分地了解本發明，但是本發明仍可以藉由多種不同形式來實踐，且不應將其解釋為限於本文所述之實施例。而在圖式中，為求明確起見對於各構件以及其相對尺寸可能未按實際比例繪製。

圖1是依照本發明的一實施例的一種塑膠加工設備的示意圖。

請參照圖1，本實施例的塑膠加工設備100至少包括噴嘴102以及脈衝磁場產生器104。噴嘴102的材料是銅或鋁。脈衝磁場產生器104則提供一磁場輸出，其中脈衝磁場產生器104的工作頻率例如在200kHz~400kHz之間，且脈衝磁場產生器104具有一電感線圈106圍繞所述噴嘴102。此外，若是要進行塑膠加工，還可藉由傳送裝置108，傳送至少一膠料條110至噴嘴102（圖中的箭頭表示傳送方向），所述膠料條110主要是熱塑性的塑膠材料，並於其中已預分散有磁性奈米粒子（未繪示），其中磁性奈米粒子在膠料條中的含量例如在5wt%以下。上述脈衝磁場產生器104所提供的磁場輸出會使電感線圈106產生脈衝磁場，並藉此使傳送至噴嘴102處的膠料條110中分散的磁性奈米粒子受磁感應發熱而提高膠料條110的溫度。

此外，膠料條110通常可捲收於滾軸112內，使用時再經傳送裝置108輸送至噴嘴102作為列印材料。所述膠料條110內的磁性奈米粒子的平均粒徑例如10 nm~300 nm，例如20 nm~100 nm或20 nm~50 nm。在一實施例中，磁性奈米粒子例如鐵氧基奈米粒子（ferrite nanoparticle）。此外，磁性奈米粒子可為未改質的奈米粒子或經改質的奈米粒子。在本實施例中，磁性奈米粒子是經表面改質的奈米粒子，其製備方式例如於未改質的奈米粒子的表面塗佈與上述塑膠材料相容的包覆劑，且所述包覆劑中可含有親油基與親水基，其中親水基可列舉但不限於羧酸（carboxylic acid）、烷基壓克力酸（alkylacrylic acid）、胺（amine）、醯胺（amide）、矽烷（silane）、烷基矽酸鹽（alkyl silicate）等，具體例如油酸（oleic acid）、甲基丙烯酸（methacrylic acid）、壬基胺（nonylamine）、四乙氧基矽烷（tetraethoxysilane）等，但本發明並不限於此。另外，塑膠加工設備100還可包括移動機構114，用以水平移動噴嘴102（即沿X軸或Y軸移動）或者垂直移動噴嘴102（即沿Z軸移動）。在一實施例中，當移動機構114是用以水平移動噴嘴102，則設置於噴嘴102下方的工作平台116可相對噴嘴102垂直移動。在另一實施例中，當移動機構114是用以垂直移動噴嘴102，則設置於噴嘴102下方的工作平台116可相對噴嘴102水平移動。

因此，在本發明的一實施例中，塑膠加工方法包括提供上述塑膠加工設備100，再傳送膠料條110至噴嘴102，其中膠料條110內分散有磁性奈米粒子（未繪示），可利用脈衝磁場產生器104提供磁場輸出，使噴嘴102處分散在膠料條110中的磁性奈米粒子受磁感應發熱而提高膠料條110的溫度。

圖2是圖1的一種噴嘴的放大示意圖。在圖2中顯示的是噴嘴102的剖面，且噴嘴102包括管部200與出口部202，其中出口部202的口徑d小於0.2mm，例如小於0.15mm。電感線圈106若是圍繞噴嘴102的出口部202，出口部202內的膠料條（未繪示）中分散的磁性奈米粒子會受脈衝磁場影響，而迅速提高膠料條的溫度，確保膠料條在出口部202的高流動性，進而在提高成型品解析度的同時，還能提升成型品的良率。另外，在噴嘴102的管部200外還可設置加熱裝置204，其與管部200接觸，可直接加熱噴嘴102，其中加熱裝置204例如電阻式加熱裝置。在另一實施例中，在噴嘴102內壁表面（例如出口部202的內面202a以及/或是管部200的內面200a），還可設置一磁性奈米粒子層(未繪示)，以進一步提高加熱效率。

圖3是圖1的一種脈衝磁場產生器的方塊圖。在圖3中，脈衝磁場產生器300除電感線圈106之外還包括電容器302、脈衝發電機304與電源306，其中電容器302與電感線圈106並聯、電源306對脈衝發電機304供電，以使脈衝發電機304對電感線圈106供電。此外，在圖3中還有放電電阻308、充電電阻310與開關312（如二極體），可延長磁場脈寬。然而，本發明並不限於此，凡是能產生脈衝磁場的設計均可應用於圖1的脈衝磁場產生器104。

以下列舉實驗用以驗證本發明的功效，但本發明之範圍並不侷限於以下實驗例。

〈製備例〉Fe ₃O ₄的鐵氧基奈米粒子製備

稱取化學品1.093g FeCl ₂‧4H ₂0與2.702g FeCl ₃‧6H ₂0，加到50 ml純水中攪拌均勻，放入1~2公升的4頸玻璃反應瓶內，保持攪拌﹔另外配製0.25M的NaOH水溶液1公升備用，量取160 ml NaOH水溶液置於分液漏斗內。迴流加熱玻璃反應瓶達到50℃時，慢慢滴到反應瓶內至反應終點。其化學反應式如下： FeCl ₂+ 2 FeCl ₃+ 8 NaOH → Fe ₃O ₄+ 8 NaCl

接著，以強力磁鐵從瓶外吸住Fe ₃O ₄奈米粒子，同時傾倒出反應液，再加入RO水清洗，如此反覆實施3~5次，控制分散液在約30 ml，此半成品即是鐵氧基Fe ₃O ₄奈米粒子分散液，其TEM影像顯示於圖4A，且從倍率更高的TEM影像(圖4B)可觀察出奈米粒子的平均粒徑約20 nm ~50 nm。

接著，對Fe ₃O ₄奈米粒子表面進行油酸改質。油酸改質的方式是先稱取油酸0.05g，加到200 ml異丙醇中混合均勻﹔量取5ml前述混合液加到1g膏狀的上述Fe ₃O ₄奈米粒子分散液中混合均勻，在30℃~40℃真空烘箱內抽真空移除溶劑，之後將改質後的Fe ₃O ₄奈米粒子取出研磨後備用。

〈實驗例1〉

將0.5 wt.%於製備例製得之經表面改質的Fe ₃O ₄奈米粒子混合在3D列印液態樹脂(Stratasys RGD720)，取此液態樹脂1.5公克塗佈於玻璃溫度計底部，光固化後放置在脈衝磁場中。啟動脈衝磁場，工作頻率為約200kHz，並量測溫度變化(ΔT1)，量測結果如圖5所示。

〈實驗例2〉

將0.5 wt.%於製備例製得之經表面改質的Fe ₃O ₄奈米粒子混合在熔融的ABS 塑膠(ABS D-650)，取此塑膠3公克塗佈於玻璃溫度計底部，凝固後放置在脈衝磁場中。啟動脈衝磁場，工作頻率為約200kHz，並量測溫度變化(ΔT2)，量測結果如圖5所示。實驗結果顯示，混合有Fe ₃O ₄奈米粒子的樹脂及塑膠皆具有優異的加熱效能。

綜上所述，本發明在塑膠加工設備中利用脈衝磁場產生器搭配內含磁性奈米粒子的膠料條，因此能額外輔助以非接觸式加熱的方式，迅速加熱膠料條內具有磁感應加熱特性的磁性奈米粒子，達到迅速提升膠料條流動性的效果，並藉此縮減噴嘴的口徑，並提升成型品解析度與良率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:塑膠加工設備

102:噴嘴

104:脈衝磁場產生器

106:電感線圈

108:傳送裝置

110:膠料條

112:滾軸

114:移動機構

116:工作平台

200:管部

200a、202a:內面

202:出口部

204:加熱裝置

300:脈衝磁場產生器

302:電容器

304:脈衝發電機

306:電源

308:放電電阻

310:充電電阻

312:開關

圖1是依照本發明的一實施例的一種塑膠加工設備的示意圖。 圖2是圖1的一種噴嘴的放大示意圖。 圖3是圖1的一種脈衝磁場產生器的方塊圖。 圖4A是製備例中的鐵氧基Fe ₃O ₄奈米粒子的穿透式電子顯微（TEM）影像。 圖4B是圖4A的放大倍率的TEM影像。 圖5是實驗例1~2的磁性奈米粒子-聚合物複合材溫度上升曲線圖。

100:塑膠加工設備

102:噴嘴

104:脈衝磁場產生器

106:電感線圈

108:傳送裝置

110:膠料條

112:滾軸

114:移動機構

116:工作平台

Claims (17)

1. 一種塑膠加工設備，包括：噴嘴，所述噴嘴的材料是銅或鋁；脈衝磁場產生器，用以提供一磁場輸出，其中所述脈衝磁場產生器具有電感線圈，所述電感線圈圍繞所述噴嘴；以及傳送裝置，用以傳送膠料條至所述噴嘴，其中所述膠料條內分散有磁性奈米粒子，且所述磁場輸出使所述噴嘴內的所述磁性奈米粒子受磁感應發熱而提高所述膠料條的溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述的塑膠加工設備，其中所述噴嘴的口徑小於0.2mm。
3. 如申請專利範圍第1項所述的塑膠加工設備，其中所述脈衝磁場產生器的工作頻率在200kHz~400kHz之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述的塑膠加工設備，更包括：移動機構，用以水平移動所述噴嘴；以及工作平台，設置於所述噴嘴下方，且所述工作平台相對所述噴嘴垂直移動。
5. 如申請專利範圍第1項所述的塑膠加工設備，更包括：移動機構，用以垂直移動所述噴嘴；以及工作平台，設置於所述噴嘴下方，且所述工作平台相對所述噴嘴水平移動。
6. 如申請專利範圍第1項所述的塑膠加工設備，更包括加熱裝置，與所述噴嘴接觸，以直接加熱所述噴嘴。
7. 如申請專利範圍第6項所述的塑膠加工設備，其中所述加熱裝置為電阻式加熱裝置。
8. 如申請專利範圍第1項所述的塑膠加工設備，其中所述脈衝磁場產生器更包括電容器、脈衝發電機與電源，所述電容器與所述電感線圈並聯、所述電源對所述脈衝發電機供電以及所述脈衝發電機對所述電感線圈供電。
9. 如申請專利範圍第1項所述的塑膠加工設備，其中所述磁性奈米粒子的平均粒徑為10nm~300nm。
10. 如申請專利範圍第1項所述的塑膠加工設備，其中所述磁性奈米粒子的平均粒徑為20nm~100nm。
11. 如申請專利範圍第1項所述的塑膠加工設備，其中所述磁性奈米粒子包括鐵氧基奈米粒子(ferrite nanoparticle)。
12. 如申請專利範圍第1項所述的塑膠加工設備，其中所述磁性奈米粒子在所述膠料條中的含量為5wt%以下。
13. 一種塑膠加工方法，包括：提供如申請專利範圍第1~8項中任一項所述的塑膠加工設備，所述塑膠加工設備包括噴嘴與脈衝磁場產生器；傳送一膠料條至所述噴嘴，其中所述膠料條內已分散有磁性奈米粒子；以及利用所述脈衝磁場產生器提供一磁場輸出，使在所述噴嘴處已分散在所述膠料條內的所述磁性奈米粒子受磁感應發熱而提高所述膠料條的溫度。
14. 如申請專利範圍第13項所述的塑膠加工方法，其中提供所述磁場輸出的工作頻率在200kHz~400kHz之間。
15. 如申請專利範圍第13項所述的塑膠加工方法，更包括水平移動所述噴嘴以及垂直移動所述噴嘴下方的工作平台。
16. 如申請專利範圍第13項所述的塑膠加工方法，更包括垂直移動所述噴嘴以及水平移動所述噴嘴下方的工作平台。
17. 如申請專利範圍第13項所述的塑膠加工方法，更包括利用與所述噴嘴接觸的所述加熱裝置，直接加熱所述噴嘴。

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