鄭棟 宋桂陽 甘新基

摘要：基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)在打印過程中由于支撐、打印缺陷產(chǎn)品和打印余料的存在導(dǎo)致打印耗材的使用率不高，這一類無用耗材不能重復(fù)利用，隨意地丟棄還會對環(huán)境造成一定影響。本文論述的FDM打印設(shè)計的耗材回收裝置可以將FDM打印機(jī)打印的支撐、缺陷產(chǎn)品和余料進(jìn)行二次融化和打印成型，大大提高打印耗材的使用率。

關(guān)鍵詞：3D打印；耗材；回收

0 前言

融沉積成型FDM 3D打印技術(shù)[1]由Scott Crump于1988年發(fā)明，其是將絲狀的熱塑性材料從加熱的噴頭擠出，按照預(yù)定的軌跡和速率進(jìn)行熔體逐層沉積，從而實現(xiàn)立體成型[2]。FDM打印技術(shù)主要的打印耗材是ABS和PLA等熱塑性塑料[3]。熱塑性塑料作為3D打印耗材的主要原料，迅猛發(fā)展的3D打印工業(yè)在滿足人們的生活和社會的發(fā)展的同時，3D打印中支撐、打印缺陷產(chǎn)品和余料也會導(dǎo)致塑料廢棄物劇增，由此所引起的社會和環(huán)境間題也日益嚴(yán)重[4]。如果可以將3D打印的廢料回收再利用，即可以實現(xiàn)耗材的再次使用，又可以減少對于環(huán)境的影響，從而達(dá)到持續(xù)發(fā)展的目的。

針對以上3D打印所帶來的對于環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的影響，本文采用對于FDM打印中的廢料進(jìn)行二次融化抽絲的裝置，可以將打印中產(chǎn)生的廢料轉(zhuǎn)換成可以再次使用的耗材，可以大大提高打印耗材的實際使用率，并且也可以大大減少打印廢料亂扔亂棄所帶來的一些環(huán)境問題。

1 設(shè)計方案

1.1 廢料二次回收的回收原理

本文的耗材回收設(shè)備對打印的PLA、ABS等廢料進(jìn)行二次融化，擠出成絲狀耗材，以二次利用。主要依據(jù)的是熱塑性材料作為一種高分子合成材料，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并且可以在一定的溫度條件下反復(fù)地軟化硬化的特性，是一種具有線性結(jié)構(gòu)的高分子化合物[5]。

1.2 方案整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3D打印廢料回收的裝置，包括進(jìn)料腔1、螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)2、擠出頭和冷卻裝置3、內(nèi)部加熱管4、電機(jī)5，如圖1所示。電機(jī)功率為0.35W，加熱管位于螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部，工作溫度為150℃，同時螺旋推進(jìn)結(jié)構(gòu)也作為廢料的粉碎機(jī)構(gòu)，對大尺寸的廢料粉碎后，加熱的效果會更充分，對之后的耗材二次成型有很大的好處。

經(jīng)過3D打印所產(chǎn)生的廢料及打印的殘次品由結(jié)構(gòu)1進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，由于結(jié)構(gòu)1底部的出口有尺寸限制，要對廢料進(jìn)行預(yù)處理，使其可通過結(jié)構(gòu)1進(jìn)入結(jié)構(gòu)2處的螺旋結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可以將預(yù)處理后的廢料進(jìn)一步的粉碎，同時結(jié)構(gòu)2內(nèi)部的結(jié)構(gòu)4加熱管將粉碎的廢料融化，螺旋結(jié)構(gòu)2同時起傳動作用，將熔融狀態(tài)下的廢料向3處推進(jìn)，在3處，熔融廢料需要冷卻成型，此處的冷卻裝置需要保證處于耗材融化的邊界值的溫度，使其保持熔融狀態(tài)同時擠出空氣中可以成絲。

2 試驗

將設(shè)備安裝完成后，基于ABS和PLA材料進(jìn)行試驗驗證。首先對裝置進(jìn)行預(yù)熱，將加熱管和熱敏電阻連接，通過控制軟件控制螺旋結(jié)構(gòu)2的溫度保持在一定的范圍，預(yù)熱的同時，對打印廢料和殘次品進(jìn)行預(yù)處理，保證其上不存在一些額外的雜質(zhì)，同時保證其可通過結(jié)構(gòu)1。等溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度并穩(wěn)定后，將處理后的廢料放入，啟動設(shè)備，觀察在不同溫度下廢料的擠出狀態(tài)和成型情況。實驗表明，在200-210℃時，ABS材料出絲狀態(tài)和成型情況最佳。在170-180℃時，PLA材料的出絲和成型狀態(tài)最佳。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于FDM打印技術(shù)的耗材回收裝置，采用對打印廢料和殘次品重新粉碎加熱成熔融狀態(tài)進(jìn)而進(jìn)行擠絲成型打印的方法，實現(xiàn)對于打印耗材的二次回收利用，可以很有效地減少打印廢料給環(huán)境和經(jīng)濟(jì)帶來的影響，對于3D打印技術(shù)在我國的進(jìn)一步普及也可以起到積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳鵬.FDM桌面3D打印機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計2017，34（2）：126-127.

[2]杜宇雷，等.3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報，2014，29（1）：20-24.

[3]郭乃妮.廢舊熱塑性塑料的回收方法及應(yīng)用[J].中國膠粘劑，2015，25（5）：47-48.

[4]陳丹，黃興元，汪朋，等.廢舊塑料回收利用的有效途徑[J].工程塑料應(yīng)用，2012，40（9）：92-93

[5]汪濟(jì)奎.ABS回收料的性能研究[J].上海塑料，2005（09）：16-19.

[6]陳丹，黃興元，等.廢舊塑料回收利用技術(shù)及研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用，2013，41（11）：111-112.

[7]粱基照.擠出機(jī)螺桿加料段的優(yōu)化設(shè)計[J].橡膠工業(yè)，2005（48）：489-490.

[8]高世友.熔融沉積（FDM）3D打印成型件的力學(xué)性能試驗研究[J].塑性工程學(xué)報，2017.24（01）：200-202.

[9]遲百宏.聚合物熔體微分3D打印裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[R].2015年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會，2015.