一种3D打印耗材挤出成型工艺及装置的制作方法

本发明属于增材制造，具体是指一种3d打印耗材挤出成型工艺及装置。

背景技术：

1、熔融沉积成型（fdm）技术是目前应用最广泛的增材制造技术之一，其打印精度在很大程度上取决于耗材丝材的截面几何精度。丝材截面不圆会导致进料机构与丝材之间接触不稳定，进而引起进料速度波动，表现为打印件层厚不均匀、表面粗糙度增大，严重时甚至造成堵头或断料。

2、在工业化生产中，fdm耗材丝材的制备通常采用“熔融挤出、冷却定型、牵引收卷”的连续工艺路线。然而，从挤出模头的圆形口模挤出的高温丝材在进入冷却介质之前，需经过一段空中过渡段。在该过渡段中，丝材处于熔融或高弹态，自身强度极低，在重力作用下截面受到竖直向下的拉伸应力，逐渐从正圆形畸变为椭圆形。这一现象在大直径丝材生产、低熔体强度材料加工以及较高挤出温度条件下尤为突出。

3、为改善丝材圆度，现有技术中已提出若干解决方案。例如在丝材完全冷却固化后进行机械挤压修形、在水槽底部设置向上喷水装置以抵消重力影响、或通过螺旋气流实现均匀冷却。然而，上述方案或属于二次加工且可能损伤丝材表面，或仅能从单一方向提供支撑而无法实现周向整形，或冷却效率有限且不具备主动整形能力。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种3d打印耗材挤出成型工艺及装置，至少部分解决了上述问题。

2、第一方面，本发明提供了一种3d打印耗材挤出成型工艺，包括以下步骤：

3、将热塑性原料熔融后经挤出模头挤出，形成高温丝材；

4、将所述高温丝材引入初级冷却装置中进行初级冷却，使所述丝材达到表层定型、内部仍具有可塑性的半固态；

5、将处于半固态的所述丝材引入套管中，向所述套管内通入液体并在套管的内壁引导下形成绕所述丝材轴线旋转的螺旋水流，所述螺旋水流对所述丝材的周向表面施加均匀压力，对所述丝材的截面进行整形；

6、将整形后的丝材引入二次冷却装置中进行二次冷却，使所述丝材完全固化；

7、将完全固化后的丝材牵引收卷。

8、优选地，所述套管的内壁设有螺旋的膛线，所述液体在所述螺旋的膛线的引导下形成所述螺旋水流。

9、优选地，所述螺旋的膛线的螺旋角为15°～45°，所述螺旋的膛线的螺距为10～50mm，深度为0.5～2mm。

10、优选地，所述螺旋水流的流动方向与所述丝材在所述套管中的行进方向相同，所述螺旋水流的速度为0.5～2m/s，所述套管内的水压为0.05～0.3mpa。

11、优选地，所述初级冷却装置为盛装有第一液体冷却介质的槽体，所述二次冷却装置为盛装有第二液体冷却介质的槽体，所述第一液体冷却介质的温度高于所述第二液体冷却介质的温度。

12、优选地，所述热塑性原料为聚乳酸时，所述第一液体冷却介质的温度为35～50℃，所述第二液体冷却介质的温度为20～30℃，所述丝材在所述初级冷却装置中的行进速度为2～4m/min，所述螺旋水流的速度为0.8～1.5m/s。

13、第二方面，本发明还提供了一种用于上述任一项所述挤出成型工艺的装置，包括：

14、套管，所述套管的内壁设有螺旋的膛线，所述套管用于供处于半固态的丝材穿过；

15、所述套管沿轴向分为两个半管，两个所述半管之间可开合地连接，两个所述半管合拢时形成供所述丝材穿过的管腔，两个所述半管打开时所述管腔沿轴向敞开；

16、所述套管的进丝端设有进水口，所述套管的出丝端设有出水口，所述进水口用于向所述套管内通入液体，使液体在所述螺旋的膛线的引导下形成绕所述丝材轴线旋转的螺旋水流。

17、优选地，两个所述半管的一侧通过铰链连接，另一侧通过锁扣机构可拆卸地固定。

18、优选地，两个所述半管的接合面上设有密封条，两个所述半管合拢时所述密封条受压变形实现密封。

19、优选地，所述进水口的数量为多个，多个所述进水口沿所述套管的进丝端的外周壁均匀间隔分布。

20、本发明利用螺旋水流对丝材圆周各方向施加均匀的径向压力，改善了重力导致的椭圆截面问题，实现了非接触式周向均匀整形；本发明通过在初级冷却后、完全冷却前引入套管实现修形，精准把握了丝材“表层固化、内部可塑”的最佳修形窗口期，修形效果显著且不损伤丝材表面；且水流修形为非接触式，水流在丝材表面形成连续液膜起润滑和隔离作用，丝材与套管内壁不发生直接接触，不会划伤丝材表面或引入机械应力。

1.一种3d打印耗材挤出成型工艺，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的3d打印耗材挤出成型工艺，其特征在于，所述套管的内壁设有螺旋的膛线，所述液体在所述螺旋的膛线的引导下形成所述螺旋水流。

3.根据权利要求2所述的3d打印耗材挤出成型工艺，其特征在于，所述螺旋的膛线的螺旋角为15°～45°，所述螺旋的膛线的螺距为10～50mm，深度为0.5～2mm。

4.根据权利要求2所述的3d打印耗材挤出成型工艺，其特征在于，所述螺旋水流的流动方向与所述丝材在所述套管中的行进方向相同，所述螺旋水流的速度为0.5～2m/s，所述套管内的水压为0.05～0.3mpa。

5.根据权利要求4所述的3d打印耗材挤出成型工艺，其特征在于，所述初级冷却装置为盛装有第一液体冷却介质的槽体，所述二次冷却装置为盛装有第二液体冷却介质的槽体，所述第一液体冷却介质的温度高于所述第二液体冷却介质的温度。

6.根据权利要求5所述的3d打印耗材挤出成型工艺，其特征在于，所述热塑性原料为聚乳酸时，所述第一液体冷却介质的温度为35～50℃，所述第二液体冷却介质的温度为20～30℃，所述丝材在所述初级冷却装置中的行进速度为2～4m/min，所述螺旋水流的速度为0.8～1.5m/s。

7.一种用于权利要求1-6任一项所述挤出成型工艺的装置，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，两个所述半管的一侧通过铰链连接，另一侧通过锁扣机构可拆卸地固定。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，两个所述半管的接合面上设有密封条，两个所述半管合拢时所述密封条受压变形实现密封。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述进水口的数量为多个，多个所述进水口沿所述套管的进丝端的外周壁均匀间隔分布。