温宇钦、程文燕、李浩、刘洁、杨艳芳、郑卫刚
（武汉理工大学智能制造与控制研究所、武汉理工大学工程训练中心）
摘要：本文首先介绍了以废旧PET为线材的新型3D打印机喷头的机械结构。而后进行加热与散热的热力学理论分析、利用ANSYS进行仿真分析，证明了其理论可行性；最后通过实物打印测试，验证了其实际操作可行性。
关键词：隔热系统，PET线材，3D打印，FDM技术
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
目前常见的塑料瓶大多为“1号”PET塑料瓶。国外PET塑料瓶的回收方式多采用塑料的简单再生法，部分采用裂解单体化技术。国内PET塑料瓶的回收再生率仅为42%，很大一部分废旧PET塑料瓶采用焚烧、填埋等传统的方式进行处理。当前PET塑料回收处理方式存在着浪费资源，污染环境，再生产品性能不稳定等问题[1-2]。
作为废弃塑料瓶主要原料的PET材料具有良好的可塑性与再生性，来源广泛[3]，其独特的性能被证明可以有效运用于3D打印中，而缺乏廉价优质原材料的FDM成型技术反而正需要这样的优质材料。目前国内对于PET塑料与FDM成型技术的结合研究较少，主要是对于PET的再生方式研究以及FDM新型材料的研究。
废旧PET塑料瓶用于3D打印已有一定的研究，但由于其独特的喷头结构和其打印温度较高，在实验过程中，喷头加热块通过铝型材逸散热量过多，浪费了大量热量，既加大了温度控制的难度，使喷头的挤丝过程不平稳；又提高了电机的工作温度，缩短了电机的使用寿命。
因而在本文中，我们主要设计的是如何做这种新型打印机的隔热系统。首先介绍该新型打印机喷头的机械结构，而后对该隔热系统进行理论计算和仿真分析，最后是实物测试。
1 机械结构介绍
1.1 打印喷头机械结构
由于所用的PET材料是扁平状，且需对材料进行改性处理。不能使用现有的打印喷头进行打印，由此我们设计了一种新型喷头隔热系统，打印喷头结构主要包括螺旋送料的成核剂添加控制机构、正反螺纹螺杆挤出机构、加热及隔热系统。
图1为打印喷头结构图。其中成核剂送料电机、固定支架、成核剂送料螺杆、成核剂料筒构成成核剂添加机构；喷嘴、送料螺杆、驱动电机构成正反螺纹螺杆挤出机构；加热块、喷嘴构成加热系统；带轮、带孔侧板、隔热板构成隔热系统。
图1 打印喷头结构图
片状PET材料经由远端送丝装置通过送料口进入混合料筒中，通过加热棒对混合料筒进行加热，装置达到一定温度后PET材料熔融。减速电机的转动带动成核剂添加螺杆的转动，通过控制电机转速，将成核剂定量稳定地送到下方的混合容器中。
挤料螺杆采用正反螺纹设计，螺杆整体分三段，上下两端为正螺纹，起挤压送料的作用，中部为反螺纹，螺杆转动过程中对熔融PET有一个向上的推力，可以达到成核剂和熔融PET混合均匀的目的。通过螺杆向下的挤压作用将材料从喷嘴挤出成型。驱动电机通过同步齿型带传动为螺杆提供动力，相较于电机与螺杆直接相连，降低了螺杆热量对电机工作的影响。
喷头加热系统通过控制加热电路的通断实现对温度的精准控制，加热棒附近安装有温度传感器，当温度低于预设温度时，加热电路接通，加热棒工作，加热块温度升高；当温度高于预设温度时，加热电路断开，加热棒停止工作，通过这一反馈调节过程使加热块始终处于某一恒定温度，保证喷头连续正常工作。
隔热系统采用了加热块—送料螺杆—驱动电机的逐层隔热。加热块之上安装隔热板，以减少加热块热量到打印喷头外框架的传递，PET送料螺杆与电机采用耐高温同步齿形带传动，一方面保证了挤丝过程运动传递的均匀平稳，另一方面使电机在较低温度下工作，延长使用寿命。
1.2 隔热系统机械结构
本文设计的隔热系统为：加热块—带孔侧板—送料螺杆—驱动电机的逐层隔热系统。其特点在于：延长电机寿命，提高喷头性能。图2为隔热系统机械机构图。
隔热系统利用隔热板作为第一级隔热、利用带孔侧板作为第二级隔热、利用同步带作为第三级隔热。加热块加热时与混合容器不直接接触，中间安装隔热板，以减少加热块热量到打印喷头外框架的传递实现第一级隔热；带孔侧板加快加热块向机体传递热量的逸散，实现第二级隔热；送料螺杆与驱动电机通过同步带轮传动，减少了驱动电机吸收的热量，实现第三级隔热。
图2 隔热系统机械结构
2 理论计算与仿真分析
2.1 加热与散热热力学理论分析
新型喷头上的有加热与散热装置。喷头加热系统通过控制加热电路的通断实现对温度的精准控制，保证喷头连续正常工作；加热块之上安装隔热板，以减少加热块热量到打印喷头外框架的传递，同时使电机在较低温度下工作，延长使用寿命。
喷头散热�？楸砻嫔⑷认凳�hc（单位：W/（m2*k））计算表达式为：
式中各符号含义：hc:对流换热系数；w：空气流速（m/s）
由于喷头处各部分空气流速不同，分别为W1=6.9m/s，W2=3.7m/s,W3=1.44m/s，计算得散热系数分别为hc1=30，hc2=25，hc3=20
2.2 ANSYS仿真分析
采用ANSYS Workbench对喷头加热和散热�？榻腥妊Х治�[5]，喷嘴、加热块材质设置为黄铜，导热系数为108.9W/（m*k），箱体和带轮材质为铝合金，导热系数为155W/（m*k）；同步带材质为橡胶聚氨酯，导热系数为25W/（m*k）；螺杆材质为不锈钢，导热系数16.2W/（m*k）。已知PET熔融温度介于240~255℃之间，通过热学分析得到最佳的加热棒加热温度。通过设置不同加热温度进行分析，得出当加热棒温度设置为270℃时，混合料筒内部温度达到250℃，处于PET的融化温度区间。温度分布云图如图3。
图3 热分析云图
3 实物测试
3.1 实物打印测试
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| 根据模型以及后面的分析，我们根据虚拟模型加工出了实物样机，并用该3D打印机打印出了一些实物，效果较好。图4为打印机工作图，图5为打印实物图。
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图4 打印机工作图 图5 打印实物图
4 结束语
3D打印喷头很容易受到各种因素的干扰，而使吐丝的连续性受到影响，尤其在温度控制不合理的情况下3D打印喷头的应用质量和效果也会大打折扣。因此，针对3D打印喷头的温度进行分析，采用上述的三级的隔热系统能够延长电机寿命，提高喷头性能，为相关的领域的研究提供一定的设计参考。
参考文献：
[1] 李雁. 有色废弃PET材料的化学回收及下游产品开发[D]. 大连理工大学, 2009.
[2] 杨桂兰，胡彪，康在龙，等。废旧塑料回收利用现状及问题[J].再生资源与循环经济，2013,6（1）：31-35.
[3] 汪洋，叶春生，黄树槐，熔融沉积成型材料的研究与应用进展[J].塑料工业，2005,33（11）：4-6
[4] 祝爱兰.成核剂在PET结晶中的应用[J].聚酯工业,2011,24(05):1-5.
[5] 史学涛，张广成，项士新，等.成核剂对PET结晶行为的影响[J].材料科学与工程学报，2005,23（3）：397-400
通讯作者：郑卫刚（1967-），技师，研究方向机电技术，发表论文300余篇。
