溫宇欽、程文燕、李浩、劉潔、楊艷芳、鄭衛(wèi)剛
（武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所、武漢理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心）
摘要：本文首先介紹了以廢舊PET為線材的新型3D打印機(jī)噴頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)。而后進(jìn)行加熱與散熱的熱力學(xué)理論分析、利用ANSYS進(jìn)行仿真分析，證明了其理論可行性；最后通過(guò)實(shí)物打印測(cè)試，驗(yàn)證了其實(shí)際操作可行性。
關(guān)鍵詞：隔熱系統(tǒng)，PET線材，3D打印，FDM技術(shù)
Research of a new 3D printers’ nozzle heat-insulating system with waste PET as printing wire
Wen Yu Qin, Cheng Wen Yan, Li Hao, Liu Jie, Yang Yan Fang, Zheng Wei Gang
(Institute of Intelligent Manufacturing and Control of Wuhan university of technology, Engineering training center of Wuhan university of technology)
Abstract: In this paper, we first introduced the mechanical structure of the new 3D printer’s nozzle with waste PET as the wire. Then we verified the theoretical feasibility of thermodynamic theory analysis of heating and heat dissipation and simulation analysis carried out by ANSYS. Finally, the actual operation feasibility is verified by the physical printing test.
Key words: Heat insulation system ,PET wire, 3D printing, FDM technology
目前常見(jiàn)的塑料瓶大多為“1號(hào)”P(pán)ET塑料瓶。國(guó)外PET塑料瓶的回收方式多采用塑料的簡(jiǎn)單再生法，部分采用裂解單體化技術(shù)。國(guó)內(nèi)PET塑料瓶的回收再生率僅為42%，很大一部分廢舊PET塑料瓶采用焚燒、填埋等傳統(tǒng)的方式進(jìn)行處理。當(dāng)前PET塑料回收處理方式存在著浪費(fèi)資源，污染環(huán)境，再生產(chǎn)品性能不穩(wěn)定等問(wèn)題[1-2]。
作為廢棄塑料瓶主要原料的PET材料具有良好的可塑性與再生性，來(lái)源廣泛[3]，其獨(dú)特的性能被證明可以有效運(yùn)用于3D打印中，而缺乏廉價(jià)優(yōu)質(zhì)原材料的FDM成型技術(shù)反而正需要這樣的優(yōu)質(zhì)材料。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于PET塑料與FDM成型技術(shù)的結(jié)合研究較少，主要是對(duì)于PET的再生方式研究以及FDM新型材料的研究。
廢舊PET塑料瓶用于3D打印已有一定的研究，但由于其獨(dú)特的噴頭結(jié)構(gòu)和其打印溫度較高，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，噴頭加熱塊通過(guò)鋁型材逸散熱量過(guò)多，浪費(fèi)了大量熱量，既加大了溫度控制的難度，使噴頭的擠絲過(guò)程不平穩(wěn)；又提高了電機(jī)的工作溫度，縮短了電機(jī)的使用壽命。
因而在本文中，我們主要設(shè)計(jì)的是如何做這種新型打印機(jī)的隔熱系統(tǒng)。首先介紹該新型打印機(jī)噴頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而后對(duì)該隔熱系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算和仿真分析，最后是實(shí)物測(cè)試。
1 機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹
1.1 打印噴頭機(jī)械結(jié)構(gòu)
由于所用的PET材料是扁平狀，且需對(duì)材料進(jìn)行改性處理。不能使用現(xiàn)有的打印噴頭進(jìn)行打印，由此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型噴頭隔熱系統(tǒng)，打印噴頭結(jié)構(gòu)主要包括螺旋送料的成核劑添加控制機(jī)構(gòu)、正反螺紋螺桿擠出機(jī)構(gòu)、加熱及隔熱系統(tǒng)。
圖1為打印噴頭結(jié)構(gòu)圖。其中成核劑送料電機(jī)、固定支架、成核劑送料螺桿、成核劑料筒構(gòu)成成核劑添加機(jī)構(gòu)；噴嘴、送料螺桿、驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成正反螺紋螺桿擠出機(jī)構(gòu)；加熱塊、噴嘴構(gòu)成加熱系統(tǒng)；帶輪、帶孔側(cè)板、隔熱板構(gòu)成隔熱系統(tǒng)。
圖1 打印噴頭結(jié)構(gòu)圖
片狀PET材料經(jīng)由遠(yuǎn)端送絲裝置通過(guò)送料口進(jìn)入混合料筒中，通過(guò)加熱棒對(duì)混合料筒進(jìn)行加熱，裝置達(dá)到一定溫度后PET材料熔融。減速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)成核劑添加螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，將成核劑定量穩(wěn)定地送到下方的混合容器中。
擠料螺桿采用正反螺紋設(shè)計(jì)，螺桿整體分三段，上下兩端為正螺紋，起擠壓送料的作用，中部為反螺紋，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)熔融PET有一個(gè)向上的推力，可以達(dá)到成核劑和熔融PET混合均勻的目的。通過(guò)螺桿向下的擠壓作用將材料從噴嘴擠出成型。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)同步齒型帶傳動(dòng)為螺桿提供動(dòng)力，相較于電機(jī)與螺桿直接相連，降低了螺桿熱量對(duì)電機(jī)工作的影響。
噴頭加熱系統(tǒng)通過(guò)控制加熱電路的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制，加熱棒附近安裝有溫度傳感器，當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，加熱電路接通，加熱棒工作，加熱塊溫度升高；當(dāng)溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，加熱電路斷開(kāi)，加熱棒停止工作，通過(guò)這一反饋調(diào)節(jié)過(guò)程使加熱塊始終處于某一恒定溫度，保證噴頭連續(xù)正常工作。
隔熱系統(tǒng)采用了加熱塊—送料螺桿—驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逐層隔熱。加熱塊之上安裝隔熱板，以減少加熱塊熱量到打印噴頭外框架的傳遞，PET送料螺桿與電機(jī)采用耐高溫同步齒形帶傳動(dòng)，一方面保證了擠絲過(guò)程運(yùn)動(dòng)傳遞的均勻平穩(wěn)，另一方面使電機(jī)在較低溫度下工作，延長(zhǎng)使用壽命。
1.2 隔熱系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的隔熱系統(tǒng)為：加熱塊—帶孔側(cè)板—送料螺桿—驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逐層隔熱系統(tǒng)。其特點(diǎn)在于：延長(zhǎng)電機(jī)壽命，提高噴頭性能。圖2為隔熱系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)圖。
隔熱系統(tǒng)利用隔熱板作為第一級(jí)隔熱、利用帶孔側(cè)板作為第二級(jí)隔熱、利用同步帶作為第三級(jí)隔熱。加熱塊加熱時(shí)與混合容器不直接接觸，中間安裝隔熱板，以減少加熱塊熱量到打印噴頭外框架的傳遞實(shí)現(xiàn)第一級(jí)隔熱；帶孔側(cè)板加快加熱塊向機(jī)體傳遞熱量的逸散，實(shí)現(xiàn)第二級(jí)隔熱；送料螺桿與驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)同步帶輪傳動(dòng)，減少了驅(qū)動(dòng)電機(jī)吸收的熱量，實(shí)現(xiàn)第三級(jí)隔熱。
圖2 隔熱系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)
2 理論計(jì)算與仿真分析
2.1 加熱與散熱熱力學(xué)理論分析
新型噴頭上的有加熱與散熱裝置。噴頭加熱系統(tǒng)通過(guò)控制加熱電路的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制，保證噴頭連續(xù)正常工作；加熱塊之上安裝隔熱板，以減少加熱塊熱量到打印噴頭外框架的傳遞，同時(shí)使電機(jī)在較低溫度下工作，延長(zhǎng)使用壽命。
噴頭散熱模塊表面散熱系數(shù)hc（單位：W/（m2*k））計(jì)算表達(dá)式為：
式中各符號(hào)含義：hc:對(duì)流換熱系數(shù)；w：空氣流速（m/s）
由于噴頭處各部分空氣流速不同，分別為W1=6.9m/s，W2=3.7m/s,W3=1.44m/s，計(jì)算得散熱系數(shù)分別為hc1=30，hc2=25，hc3=20
2.2 ANSYS仿真分析
采用ANSYS Workbench對(duì)噴頭加熱和散熱模塊進(jìn)行熱學(xué)分析[5]，噴嘴、加熱塊材質(zhì)設(shè)置為黃銅，導(dǎo)熱系數(shù)為108.9W/（m*k），箱體和帶輪材質(zhì)為鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)為155W/（m*k）；同步帶材質(zhì)為橡膠聚氨酯，導(dǎo)熱系數(shù)為25W/（m*k）；螺桿材質(zhì)為不銹鋼，導(dǎo)熱系數(shù)16.2W/（m*k）。已知PET熔融溫度介于240~255℃之間，通過(guò)熱學(xué)分析得到最佳的加熱棒加熱溫度。通過(guò)設(shè)置不同加熱溫度進(jìn)行分析，得出當(dāng)加熱棒溫度設(shè)置為270℃時(shí)，混合料筒內(nèi)部溫度達(dá)到250℃，處于PET的融化溫度區(qū)間。溫度分布云圖如圖3。
圖3 熱分析云圖
3 實(shí)物測(cè)試
3.1 實(shí)物打印測(cè)試
4 結(jié)束語(yǔ)
3D打印噴頭很容易受到各種因素的干擾，而使吐絲的連續(xù)性受到影響，尤其在溫度控制不合理的情況下3D打印噴頭的應(yīng)用質(zhì)量和效果也會(huì)大打折扣。因此，針對(duì)3D打印噴頭的溫度進(jìn)行分析，采用上述的三級(jí)的隔熱系統(tǒng)能夠延長(zhǎng)電機(jī)壽命，提高噴頭性能，為相關(guān)的領(lǐng)域的研究提供一定的設(shè)計(jì)參考。
參考文獻(xiàn)：
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通訊作者：鄭衛(wèi)剛（1967-），技師，研究方向機(jī)電技術(shù)，發(fā)表論文300余篇。
