溫宇欽、程文燕、李浩、劉潔、楊艷芳、鄭衛剛
（武漢理工大學智能制造與控制研究所、武漢理工大學工程訓練中心）
摘要：本文首先介紹了以廢舊PET為線材的新型3D打印機噴頭的機械結構。而后進行加熱與散熱的熱力學理論分析、利用ANSYS進行仿真分析，證明了其理論可行性；最后通過實物打印測試，驗證了其實際操作可行性。
關鍵詞：隔熱系統，PET線材，3D打印，FDM技術
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
目前常見的塑料瓶大多為“1號”PET塑料瓶。國外PET塑料瓶的回收方式多采用塑料的簡單再生法，部分采用裂解單體化技術。國內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、填埋等傳統的方式進行處理。當前PET塑料回收處理方式存在著浪費資源，污染環境，再生產品性能不穩定等問題[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，來源廣泛[3]，其獨特的性能被證明可以有效運用于3D打印中，而缺乏廉價優質原材料的FDM成型技術反而正需要這樣的優質材料。目前國內對于PET塑料與FDM成型技術的結合研究較少，主要是對于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，但由于其獨特的噴頭結構和其打印溫度較高，在實驗過程中，噴頭加熱塊通過鋁型材逸散熱量過多，浪費了大量熱量，既加大了溫度控制的難度，使噴頭的擠絲過程不平穩；又提高了電機的工作溫度，縮短了電機的使用壽命。
因而在本文中，我們主要設計的是如何做這種新型打印機的隔熱系統。首先介紹該新型打印機噴頭的機械結構，而后對該隔熱系統進行理論計算和仿真分析，最后是實物測試。
1 機械結構介紹
1.1 打印噴頭機械結構
由于所用的PET材料是扁平狀，且需對材料進行改性處理。不能使用現有的打印噴頭進行打印，由此我們設計了一種新型噴頭隔熱系統，打印噴頭結構主要包括螺旋送料的成核劑添加控制機構、正反螺紋螺桿擠出機構、加熱及隔熱系統。
圖1為打印噴頭結構圖。其中成核劑送料電機、固定支架、成核劑送料螺桿、成核劑料筒構成成核劑添加機構；噴嘴、送料螺桿、驅動電機構成正反螺紋螺桿擠出機構；加熱塊、噴嘴構成加熱系統；帶輪、帶孔側板、隔熱板構成隔熱系統。
圖1 打印噴頭結構圖
片狀PET材料經由遠端送絲裝置通過送料口進入混合料筒中，通過加熱棒對混合料筒進行加熱，裝置達到一定溫度后PET材料熔融。減速電機的轉動帶動成核劑添加螺桿的轉動，通過控制電機轉速，將成核劑定量穩定地送到下方的混合容器中。
擠料螺桿采用正反螺紋設計，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，螺桿轉動過程中對熔融PET有一個向上的推力，可以達到成核劑和熔融PET混合均勻的目的。通過螺桿向下的擠壓作用將材料從噴嘴擠出成型。驅動電機通過同步齒型帶傳動為螺桿提供動力，相較于電機與螺桿直接相連，降低了螺桿熱量對電機工作的影響。
噴頭加熱系統通過控制加熱電路的通斷實現對溫度的精準控制，加熱棒附近安裝有溫度傳感器，當溫度低于預設溫度時，加熱電路接通，加熱棒工作，加熱塊溫度升高；當溫度高于預設溫度時，加熱電路斷開，加熱棒停止工作，通過這一反饋調節過程使加熱塊始終處于某一恒定溫度，保證噴頭連續正常工作。
隔熱系統采用了加熱塊—送料螺桿—驅動電機的逐層隔熱。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送料螺桿與電機采用耐高溫同步齒形帶傳動，一方面保證了擠絲過程運動傳遞的均勻平穩，另一方面使電機在較低溫度下工作，延長使用壽命。
1.2 隔熱系統機械結構
本文設計的隔熱系統為：加熱塊—帶孔側板—送料螺桿—驅動電機的逐層隔熱系統。其特點在于：延長電機壽命，提高噴頭性能。圖2為隔熱系統機械機構圖。
隔熱系統利用隔熱板作為第一級隔熱、利用帶孔側板作為第二級隔熱、利用同步帶作為第三級隔熱。加熱塊加熱時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現第一級隔熱；帶孔側板加快加熱塊向機體傳遞熱量的逸散，實現第二級隔熱；送料螺桿與驅動電機通過同步帶輪傳動，減少了驅動電機吸收的熱量，實現第三級隔熱。
圖2 隔熱系統機械結構
2 理論計算與仿真分析
2.1 加熱與散熱熱力學理論分析
新型噴頭上的有加熱與散熱裝置。噴頭加熱系統通過控制加熱電路的通斷實現對溫度的精準控制，保證噴頭連續正常工作；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，同時使電機在較低溫度下工作，延長使用壽命。
噴頭散熱模塊表面散熱系數hc（單位：W/（m2*k））計算表達式為：
式中各符號含義：hc:對流換熱系數；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，計算得散熱系數分別為hc1=30，hc2=25，hc3=20
2.2 ANSYS仿真分析
采用ANSYS Workbench對噴頭加熱和散熱模塊進行熱學分析[5]，噴嘴、加熱塊材質設置為黃銅，導熱系數為108.9W/（m*k），箱體和帶輪材質為鋁合金，導熱系數為155W/（m*k）；同步帶材質為橡膠聚氨酯，導熱系數為25W/（m*k）；螺桿材質為不銹鋼，導熱系數16.2W/（m*k）。已知PET熔融溫度介于240~255℃之間，通過熱學分析得到最佳的加熱棒加熱溫度。通過設置不同加熱溫度進行分析，得出當加熱棒溫度設置為270℃時，混合料筒內部溫度達到250℃，處于PET的融化溫度區間。溫度分布云圖如圖3。
圖3 熱分析云圖
3 實物測試
3.1 實物打印測試
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| 根據模型以及后面的分析，我們根據虛擬模型加工出了實物樣機，并用該3D打印機打印出了一些實物，效果較好。圖4為打印機工作圖，圖5為打印實物圖。
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圖4 打印機工作圖 圖5 打印實物圖
4 結束語
3D打印噴頭很容易受到各種因素的干擾，而使吐絲的連續性受到影響，尤其在溫度控制不合理的情況下3D打印噴頭的應用質量和效果也會大打折扣。因此，針對3D打印噴頭的溫度進行分析，采用上述的三級的隔熱系統能夠延長電機壽命，提高噴頭性能，為相關的領域的研究提供一定的設計參考。
參考文獻：
[1] 李雁. 有色廢棄PET材料的化學回收及下游產品開發[D]. 大連理工大學, 2009.
[2] 楊桂蘭，胡彪，康在龍，等。廢舊塑料回收利用現狀及問題[J].再生資源與循環經濟，2013,6（1）：31-35.
[3] 汪洋，葉春生，黃樹槐，熔融沉積成型材料的研究與應用進展[J].塑料工業，2005,33（11）：4-6
[4] 祝愛蘭.成核劑在PET結晶中的應用[J].聚酯工業,2011,24(05):1-5.
[5] 史學濤，張廣成，項士新，等.成核劑對PET結晶行為的影響[J].材料科學與工程學報，2005,23（3）：397-400
通訊作者：鄭衛剛（1967-），技師，研究方向機電技術，發表論文300余篇。
