一种3D打印耗材回收设备的设计

2022.09.22

郑栋宋桂阳甘新基

摘要：基于FDM技术的3D打印机在打印过程中由于支撑、打印缺陷产品和打印余料的存在导致打印耗材的使用率不高，这一类无用耗材不能重复利用，随意地丢弃还会对环境造成一定影响。本文论述的FDM打印设计的耗材回收装置可以将FDM打印机打印的支撑、缺陷产品和余料进行二次融化和打印成型，大大提高打印耗材的使用率。

关键词：3D打印；耗材；回收

0 前言

融沉积成型FDM 3D打印技术[1]由Scott Crump于1988年发明，其是将丝状的热塑性材料从加热的喷头挤出，按照预定的轨迹和速率进行熔体逐层沉积，从而实现立体成型[2]。FDM打印技术主要的打印耗材是ABS和PLA等热塑性塑料[3]。热塑性塑料作为3D打印耗材的主要原料，迅猛发展的3D打印工业在满足人们的生活和社会的发展的同时，3D打印中支撑、打印缺陷产品和余料也会导致塑料废弃物剧增，由此所引起的社会和环境间题也日益严重[4]。如果可以将3D打印的废料回收再利用，即可以实现耗材的再次使用，又可以减少对于环境的影响，从而達到持续发展的目的。

针对以上3D打印所带来的对于环境、经济的影响，本文采用对于FDM打印中的废料进行二次融化抽丝的装置，可以将打印中产生的废料转换成可以再次使用的耗材，可以大大提高打印耗材的实际使用率，并且也可以大大减少打印废料乱扔乱弃所带来的一些环境问题。

1 设计方案

1.1 废料二次回收的回收原理

本文的耗材回收设备对打印的PLA、ABS等废料进行二次融化，挤出成丝状耗材，以二次利用。主要依据的是热塑性材料作为一种高分子合成材料，化学性质稳定，并且可以在一定的温度条件下反复地软化硬化的特性，是一种具有线性结构的高分子化合物[5]。

1.2 方案整体结构设计

3D打印废料回收的装置，包括进料腔1、螺旋推进机构2、挤出头和冷却装置3、内部加热管4、电机5，如图1所示。电机功率为0.35W，加热管位于螺旋推进机构内部，工作温度为150℃，同时螺旋推进结构也作为废料的粉碎机构，对大尺寸的废料粉碎后，加热的效果会更充分，对之后的耗材二次成型有很大的好处。

经过3D打印所产生的废料及打印的残次品由结构1进入设备内部，由于结构1底部的出口有尺寸限制，要对废料进行预处理，使其可通过结构1进入结构2处的螺旋结构，此结构可以将预处理后的废料进一步的粉碎，同时结构2内部的结构4加热管将粉碎的废料融化，螺旋结构2同时起传动作用，将熔融状态下的废料向3处推进，在3处，熔融废料需要冷却成型，此处的冷却装置需要保证处于耗材融化的边界值的温度，使其保持熔融状态同时挤出空气中可以成丝。

2 试验

将设备安装完成后，基于ABS和PLA材料进行试验验证。首先对装置进行预热，将加热管和热敏电阻连接，通过控制软件控制螺旋结构2的温度保持在一定的范围，预热的同时，对打印废料和残次品进行预处理，保证其上不存在一些额外的杂质，同时保证其可通过结构1。等温度达到预设温度并稳定后，将处理后的废料放入，启动设备，观察在不同温度下废料的挤出状态和成型情况。实验表明，在200-210℃时，ABS材料出丝状态和成型情况最佳。在170-180℃时，PLA材料的出丝和成型状态最佳。

3 结论

本文设计了一种基于FDM打印技术的耗材回收装置，采用对打印废料和残次品重新粉碎加热成熔融状态进而进行挤丝成型打印的方法，实现对于打印耗材的二次回收利用，可以很有效地减少打印废料给环境和经济带来的影响，对于3D打印技术在我国的进一步普及也可以起到积极的作用。

参考文献：

[1]陈鹏.FDM桌面3D打印机的创新设计[J].机械设计2017，34（2）：126-127.

[2]杜宇雷，等.3D打印材料的发展现状[J].徐州工程学院学报，2014，29（1）：20-24.

[3]郭乃妮.废旧热塑性塑料的回收方法及应用[J].中国胶粘剂，2015，25（5）：47-48.

[4]陈丹，黄兴元，汪朋，等.废旧塑料回收利用的有效途径[J].工程塑料应用，2012，40（9）：92-93

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

[6]陈丹，黄兴元，等.废旧塑料回收利用技术及研究进展[J].工程塑料应用，2013，41（11）：111-112.

[7]粱基照.挤出机螺杆加料段的优化设计[J].橡胶工业，2005（48）：489-490.

[8]高世友.熔融沉积（FDM）3D打印成型件的力学性能试验研究[J].塑性工程学报，2017.24（01）：200-202.

[9]迟百宏.聚合物熔体微分3D打印装置的设计与实现[R].2015年全国高分子学术论文报告会，2015.