提高塑料快速成型件強(qiáng)度的方法及生產(chǎn)專用線材的設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高塑料快速成型件強(qiáng)度的方法及生產(chǎn)專用線材的設(shè)備，特別是涉及一種通過在塑料線材表面添加石墨烯微片并經(jīng)微波處理來提高塑料快速成型件強(qiáng)度的方法及生產(chǎn)專用線材的設(shè)備，其適用于各種采用熔融沉積工藝成型的塑料快速成型件。
【背景技術(shù)】
[0002]熔融沉積(H)M)快速成型工藝是將熱塑性或其他熱熔性材料加熱，在熔融狀態(tài)將其從噴嘴中擠出，利用擠出的細(xì)絲狀材料在高溫下的粘結(jié)性逐層堆積形成所需零件。該技術(shù)最早由美國Stratasys公司于1993年研發(fā)成功，因其無需激光、使用及維護(hù)簡單、成型材料種類多、生產(chǎn)成本低及精度較高等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為應(yīng)用最廣泛的一種快速成型技術(shù)(3D打印技術(shù))。
[0003]利用熔融沉積工藝制造出來的快速成型件內(nèi)部是由多層方向不同的絲材以及絲材與絲材間的粘結(jié)部分共同形成的實(shí)體，因此其強(qiáng)度不但與所用絲材本身的強(qiáng)度有關(guān)，也與層與層、層內(nèi)絲材之間的粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)。絲材間的粘結(jié)強(qiáng)度取決于界面溫度和擴(kuò)散時(shí)間，粘結(jié)時(shí)界面溫度越高，擴(kuò)散時(shí)間越充分，界面的粘結(jié)強(qiáng)度就越高。然而在成型打印時(shí)，層與層間由于間隔時(shí)間較長，前一層已經(jīng)完全冷卻凝固后才開始堆積后一層，從而導(dǎo)致界面溫度下降，粘結(jié)強(qiáng)度差。因此，對(duì)于熔融沉積工藝制造出來的快速成型件而言，其在各個(gè)方向的強(qiáng)度是不同的，沿層向的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于沿絲材打印方向的強(qiáng)度，這對(duì)熔融沉積工藝快速成型件的使用是非常不利的。隨著熔融沉積快速成型技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，其強(qiáng)度不足，特別是沿層向強(qiáng)度差的缺點(diǎn)對(duì)使用造成的不良影響也越來越大，這促使研究人員關(guān)注和解決這一問題。有研究人員在3D打印機(jī)中設(shè)置紅外線或激光等加熱裝置，在成型過程中利用加熱裝置對(duì)成型部位進(jìn)行局部加熱來提高層間強(qiáng)度，然而這種方法要讓加熱裝置隨打印機(jī)擠出頭一起運(yùn)動(dòng)，且要在極短時(shí)間內(nèi)加熱成型部位，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，設(shè)備可靠性差，同時(shí)也無法準(zhǔn)確控制加熱區(qū)域的溫度，因此效果并不理想。
[0004]另一方面，自2004年英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈.杰姆和克斯特亞.諾沃消洛夫通過實(shí)驗(yàn)獲得石墨烯以來，近年來石墨烯已成為各國研究的熱點(diǎn)。石墨烯是從石墨材料中剝離出的單層碳原子薄膜，是由單層六角原胞碳原子組成的蜂窩狀二維晶體，因其具有超薄、超高強(qiáng)度、超強(qiáng)導(dǎo)電性、室溫導(dǎo)熱、透光性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景巨大。中國在石墨烯的研究和應(yīng)用上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，原因有兩方面，(I)石墨烯的生產(chǎn)原料石墨在我國儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉；(2)我國企業(yè)目前已解決了這類材料量產(chǎn)的難題，成功地將石墨烯的制造成本降了下來。這為我國在各領(lǐng)域應(yīng)用石墨烯創(chuàng)造了良好的條件。
[0005]對(duì)石墨烯的進(jìn)一步研究表明，石墨烯具有理想的微波吸收特性，將其與聚合物復(fù)合可以制備密度小及可加工性好的新型微波吸收材料。Givanni等人研究了石墨烯/聚合物、碳納米管/聚合物、短碳纖維/聚合物復(fù)合材料的微波吸收性能，其研究結(jié)果表明，石墨烯與聚合物的復(fù)合材料具有比碳納米管、短碳纖維有更優(yōu)良的微波吸收性能。石墨烯與聚合物復(fù)合材料具備優(yōu)異的微波吸收性，從而使這種復(fù)合材料在受到微波作用時(shí)其溫度上升比不含石墨烯的聚合物要快得多，這在工程上具有重要的應(yīng)用價(jià)值，也為解決熔融沉積工藝制造的快速成型件層向強(qiáng)度差的問題提供了一種全新的解決辦法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的第一目的是提供一種提高塑料快速成型件強(qiáng)度的方法，從而使采用熔融沉積快速成型工藝制造出來的塑料快速成型件強(qiáng)度高，沿層向強(qiáng)度好，并能保持工件原有尺寸與形狀不變，該方法操作簡便、成本低及效果好，適用于各種熱塑性塑料快速成型件;本發(fā)明的第二目的是提供一種生產(chǎn)表面粘附石墨烯微片的3D打印專用線材的設(shè)備。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第一目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，其是一種提高塑料快速成型件強(qiáng)度的方法，其特征在于包括如下步驟:
步驟一制備表面粘附石墨烯微片的塑料線材
用塑料擠出機(jī)將ABS或PLA或PC塑料顆粒擠出成為直徑為I.75±0.03mm或3±0.05mm的3D打印機(jī)專用線材，所述專用線材適用于熔融沉積成型工藝(FDM);將剛擠出的仍未固化的熱態(tài)專用線材通過冷卻槽冷卻及定型，在冷卻槽內(nèi)裝有石墨烯分散液，專用線材通過冷卻槽后表面粘附了石墨烯微片;待粘附石墨烯微片的專用線材表面的水分蒸發(fā)干后，用收卷機(jī)收卷；
步驟二制作快速成型件
用熔融沉積工藝3D打印機(jī)制作快速成型件，打印材料用步驟一制作的表面粘附石墨烯微片的專用線材;快速成型件制作好后拆除支撐，清理表面；
步驟三微波處理
將步驟二制作的快速成型件放入微波爐中進(jìn)行微波照射處理，微波頻率為915MHz或2450MHz，微波照射間為0.2?5分鐘，體積及厚度大的快速成型件照射時(shí)間長，體積小及厚度薄的快速成型件照射時(shí)間短；
步驟四保溫與冷卻
將步驟三處理過的快速成型件放入保溫箱或烤箱內(nèi)，保溫箱或烤箱的溫度控制在65±50C，放置10?20分鐘，待內(nèi)部熱點(diǎn)緩慢冷卻后取出，得到所需的塑料快速成型件。
[0008]所述石墨烯分散液包括石墨烯粉體及電導(dǎo)率〈0.5yS/cm的去離子水，在石墨烯分散液中石墨烯粉體占0.05%?0.2%，其為質(zhì)量百分比，石墨烯粉體的顆粒橫向尺寸為0.5?5微米;制備時(shí)將石墨烯粉體加入去離子水中，在室溫下用超聲波分散器超聲乳化10?20分鐘，得到石墨烯分散液，在線材處理過程中保持超聲波分散器開啟。
[0009]在所述冷卻槽內(nèi)設(shè)有上冷卻槽，在上冷卻槽中裝有石墨烯分散液，所述專用線材通過上冷卻槽冷卻及定型;在冷卻槽內(nèi)設(shè)有潛水栗，所述潛水栗的入口與冷卻槽底部連通，潛水栗的出口與上冷卻槽連通，從而將冷卻槽中的石墨烯分散液抽到上冷卻槽中，并使上冷卻槽中的石墨烯分散液的液面高過專用線材的頂部;石墨烯分散液抽滿后從上冷卻槽左右兩側(cè)專用線材過線缺口處溢出流回冷卻槽下部形成循環(huán)，從而使上冷卻槽中的石墨烯分散液溫度保持穩(wěn)定。
[0010]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第二目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，其是一種生產(chǎn)表面粘附石墨烯微片的3D打印專用線材的設(shè)備，其特征在于包括機(jī)架、塑料擠出機(jī)、冷卻槽、超聲波分散器、牽引輪組及收卷機(jī);其中所述塑料擠出機(jī)、冷卻槽及牽引輪組依次安裝在機(jī)架的臺(tái)面上，在所述冷卻槽中裝有石墨烯分散液，從塑料擠出機(jī)擠出的專用線材通過裝有石墨烯分散液的冷卻槽再進(jìn)入牽引輪組，所述收卷機(jī)安裝在機(jī)架上并位于機(jī)架臺(tái)面下方，收卷機(jī)收卷通過牽引輪組的專用線材;所述超聲波分散器安裝在機(jī)架上，超聲波分散器的振動(dòng)棒位于冷卻槽中超聲乳化石墨烯分散液。
[0011]在所述機(jī)架上設(shè)有導(dǎo)向輪，所述導(dǎo)向輪位于牽引輪組與收卷機(jī)之間；所述牽引輪組包括兩個(gè)牽引輪，兩個(gè)牽引輪上下分布。
[0012]在所述冷卻槽內(nèi)設(shè)有上冷卻槽，在上冷卻槽中裝有石墨烯分散液，所述專用線材通過上冷卻槽冷卻及定型；在冷卻槽內(nèi)設(shè)有潛水栗，所述潛水栗的入口與冷卻槽的底部連通，潛水栗的出口與上冷卻槽連通，從而將冷卻槽中的石墨烯分散液抽到上冷卻槽中，并使上冷卻槽中的石墨烯分散液的液面高過專用線材的頂部;石墨烯分散液抽滿后從上冷卻槽左右兩側(cè)專用線材過線缺口處溢出流回冷卻槽下部形成循環(huán)，從而使上冷卻槽中的石墨烯分散液溫度保持穩(wěn)定。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
(I)無需對(duì)現(xiàn)有熔融沉積工藝3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)做任何改變，只需打印前對(duì)線材進(jìn)行處理，打印后對(duì)工件進(jìn)行處理即可，與