可再生3D打印耗材制备机构

可再生3D打印耗材制备机构

陈晟,包涵,黄宝忠,凤韬,沈晓峰*,高文虎

苏州大学应用技术学院  江苏苏州 215325

摘要：本文主要针对塑料瓶的回收利用，拟制备一款可以将塑料瓶加工成为3D打印耗材的装置。只需要将使用后的塑料瓶放入机器中，它便会将塑料瓶切成碎片，接着用电涡流加热，将碎片融化。最后通过直径1.75mm的挤出机，挤出成丝状。塑料瓶就成为了3D打印机的耗材。此设备方便快捷，简易高效，既回收了塑料瓶，也为3D打印行业提供了低成本耗材。

关键词：PET、回收利用、3D打印耗材

3D打印技术，属于快速成型（增材制造）技术的一种[1]。它是一种以数字模型文件为基础，运用树脂液体或塑料或金属粉末等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术（即“积层造形法”）[2]。3D打印机的耗材有PLA 、ABS、 光敏树脂(液体)、蜡基材料、尼龙粉末、类石膏粉、金属粉末(包括不锈钢、钛合金铁镍合金、钴铬合等等)。敏树脂、蜡基材料等材料的种类又很多种,种材料的熔点度、强度都不一样,不同的3D打印机使用不同行打印,总体来说,目前3D打印机的打印成本普遍比较高。在众多的3D打印方式中，熔融沉积制造（FDM）是使用最为广泛的一种高效打印模式，而FDM3D打印机最常用的材料是PLC和ABS耗材。ABS有优良的力学性能，其冲击强度极好，可以在极低的温度下使用；ABS的耐磨性优良，尺寸稳定性好，又具有耐油性，可用于中等载荷和转速下的轴承。ABS的耐蠕变性比PSF及PC大，但比PA及POM小。ABS的弯曲强度和压缩强度属塑料中较差的ABS的力学性能受温度的影响较大[3]。在我们日常生活中常见的塑料瓶如可乐瓶、矿泉水瓶，其用的都是PET材料。对比ABS材料，PET有更好的力学性能，冲击强度是其他薄膜的3~5倍，耐折性好。耐油、耐脂肪、耐稀酸、稀碱，耐大多数溶剂。气体和水蒸气渗透率低，既有优良的阻气、水、油及异味性能。透明度高，可阻挡紫外线，光泽性好。无毒、无味，卫生安全性好，可直接用于食品包装。我们设计理念就是通过回收利用塑料瓶，作为3D打印的耗材。关于将塑料瓶回收变为3D打印耗材，很早之前国内外的网站上就有相关视频，他们都是使用一套流程，整个过程复杂且具有一定的安全隐患。目前塑料瓶回收仍是一个难题，我们将塑料瓶回收作为3D打印耗材符合当下国际绿色制造的趋势，为保护环境做出我们的一份力。我们参考了制作流程，设计了一台一体化的机器。

1.机械工作流程：

在指定的通道中放入塑料瓶后，气动夹爪检测到塑料瓶，夹紧夹爪并开始旋转。位于夹爪右上方的刀具，采用类似CNC加工的方式开始下落，切割去除塑料瓶瓶底，瓶底作为废料落入肥料槽。开始正式加工瓶身，刀具按照导轨开始向前运动，把塑料瓶身切割为适合加工的丝状，一直切割到瓶颈处，切断塑料丝，通过通道落入加热器的漏斗处，加热器中的推进器检测到有料落入后开始运作。推进器采用气压推进，将塑料丝向前推进到加热管道处，开始加热。塑料丝融化为塑料液，整个加入管道外采用电涡流加热方式，对金属管道进行持续加热，使管道内的塑料液完全融化，进入成型喷头，喷头处使用1.75mm的喷头，喷出半凝固的塑料液，进去凝固通道。凝固通道外使用两台散热风扇，对管道内的塑料液进行散热凝固处理。完全凝固后进入卷丝机，卷丝机固定孔检测到有料进入后，给卷丝机通电信号，卷丝机开始工作，将成品的塑料丝卷成方便3d打印机使用的一盘材料。

2.部分机构展示：

刀架，刀具上运动机构采伺服电机带动滚珠丝杠运动。滚珠丝杠是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件,其主要功能是将旋转运动转换成线性运动,或将扭矩转换成轴向反复作用力,同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于具有很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器[4]。这个部分由两台电机带动两个滚珠丝杠运动。①部分的滚珠丝杠带动②部分上的刀架前后运动，②部分的滚珠丝杠带动上面的刀架上下运动，运动平稳精确，刀具切割塑料瓶成为粗细均匀的扁丝线。

夹爪部分由舵机带动夹爪旋转部分，旋转部分带动连杆以控制夹爪的打开和关闭。舵机正转，夹爪关闭；舵机反转，夹爪打开。在塑料瓶由通道进入夹爪部分后，夹爪下方接近传感器发出信号，夹爪舵机正转，夹爪夹紧塑料瓶瓶口后，由伺服电机带动整个夹爪部分旋转，刀具落下，切割塑料瓶底；在切割到设定时间后，刀具切断塑料瓶底，塑料瓶底作为废料落入肥料槽中；随后刀具随滑轨向前匀速运动，切割塑料瓶身，将塑料瓶身切成扁丝状；在切割到指定时间后，刀具切断塑料瓶身，塑料丝落入下一个部件漏斗中，夹爪收到信号，舵机反转，松开剩余的塑料瓶口，落入废料槽中。

塑料丝推进舱采用气动作为动力，当收集漏斗接收到信号后，气泵开始充气，为推进仓提供动力，推进仓将塑料丝向前推进，熔化塑料丝。气动是利用撞击作用或转动作用产生的空气压力使其运动或

作功，气动就是以压缩空气为动力源，带动机械完成伸缩或旋转动作。因为是利用空气具有压缩性的特点，吸入空气压缩储存，空气便像弹簧一样具有了弹力，然后用控制元件控制其方向，带动执行元件的旋转与伸缩。塑料丝进入已经加热的金属管中,加热部分采用涡流电磁感应加热。电磁感应加热，即电磁加热技术，是电磁加热的原理是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质容器放置上面时，容器表面即切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使容器底部的载流子高速无规则运动，载流子与原子互相碰撞、摩擦而产生热能。目前的电磁加热广泛应用与日常生活，工业。当刀具切割塑料瓶完毕后，主控板给出信号，开始加热金属管。

金属管中的塑料丝融化后，向下流入挤出机中，挤出机是一个常规FDM式3D打印机的挤出机。3D打印机的挤出机分了两个部分，一个部分是叫冷端Cold end，另一个部分叫热端Hot end。冷端的部分就是负责将打印材料挤出去，而打印材料会在齿轮和轴承之间被往前推。当马达启动时，就会驱动齿轮滚动，把打印材料推到热端的部分。当打印物料到达热端时，热端的加热器会把打印材料加热溶化，最后从喷嘴被挤了出来。在挤出机喷头处，我们将原本的0.4mm直径喷头换成了1.75mm直径特制红宝石喷头，目的是挤出1.75mm直径的耗材丝线，以方便3D打印机使用，红宝石喷头能够有效防止喷头堵塞。在挤出机侧面安装散热风扇，能够帮助挤出的耗材和快速定型，有效阻止耗材在挤出头内凝固堵塞。当刀具切割塑料瓶后，主控板给出信号，风扇开始工作。

卷丝机整体由卷丝盘，电机以及传感器组成。在机器工作前，将耗材盘放置在卷丝盘固定位置定位。在挤出机喷头挤出成型的耗材后，受重力下落至传感器接收口，传感器收到信号后，向伺服驱动器发出信号，卷丝盘下的电机开始工作，带动卷丝盘转动，卷丝盘上耗材盘转动，将成型的耗材有序卷入耗材盘中。

3.创新展示：

相对于以前的回收塑料瓶作为3D打印耗材的方式，我们一体化智能设备高效、安全、快速、高利用率。这台新型的设备不仅有效的回收利用了生活中废弃的塑料瓶，还为3D打印行业提供了原材料。

参考文献

[1]张云波. 高性能FDM 3D打印耗材制备与性能研究[D].上海材料研究所,2017.

[2]林宗德.3D打印技术在机械创新实验教学的应用研究[J].机械管理开发,2019,(1):153-154.

[3]薄斌. 鑫昊手推式电动清扫车设计研究[D].南昌大学,2014.

[4]袁润超.钢管自动码包机设计[J].科技创新与应用,2018,No.221(01):121-122.

基金号：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（202213984025H）

通讯作者简介：沈晓峰（1986-），男，汉族，江苏苏州人，讲师。