提高塑料快速成型件強度的方法及生產專用線材的設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種提高塑料快速成型件強度的方法及生產專用線材的設備，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微波處理來提高塑料快速成型件強度的方法及生產專用線材的設備，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】
[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，在熔融狀態將其從噴嘴中擠出，利用擠出的細絲狀材料在高溫下的粘結性逐層堆積形成所需零件。該技術最早由美國Stratasys公司于1993年研發成功，因其無需激光、使用及維護簡單、成型材料種類多、生產成本低及精度較高等優點，目前已成為應用最廣泛的一種快速成型技術(3D打印技術)。
[0003]利用熔融沉積工藝制造出來的快速成型件內部是由多層方向不同的絲材以及絲材與絲材間的粘結部分共同形成的實體，因此其強度不但與所用絲材本身的強度有關，也與層與層、層內絲材之間的粘結強度有關。絲材間的粘結強度取決于界面溫度和擴散時間，粘結時界面溫度越高，擴散時間越充分，界面的粘結強度就越高。然而在成型打印時，層與層間由于間隔時間較長，前一層已經完全冷卻凝固后才開始堆積后一層，從而導致界面溫度下降，粘結強度差。因此，對于熔融沉積工藝制造出來的快速成型件而言，其在各個方向的強度是不同的，沿層向的強度遠低于沿絲材打印方向的強度，這對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應用越來越廣泛，其強度不足，特別是沿層向強度差的缺點對使用造成的不良影響也越來越大，這促使研究人員關注和解決這一問題。有研究人員在3D打印機中設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成型部位進行局部加熱來提高層間強度，然而這種方法要讓加熱裝置隨打印機擠出頭一起運動，且要在極短時間內加熱成型部位，導致機械結構很復雜，設備可靠性差，同時也無法準確控制加熱區域的溫度，因此效果并不理想。
[0004]另一方面，自2004年英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈.杰姆和克斯特亞.諾沃消洛夫通過實驗獲得石墨烯以來，近年來石墨烯已成為各國研究的熱點。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、超高強度、超強導電性、室溫導熱、透光性及結構穩定等優點，應用前景巨大。中國在石墨烯的研究和應用上具有獨特的優勢，原因有兩方面，(I)石墨烯的生產原料石墨在我國儲量豐富，價格低廉；(2)我國企業目前已解決了這類材料量產的難題，成功地將石墨烯的制造成本降了下來。這為我國在各領域應用石墨烯創造了良好的條件。
[0005]對石墨烯的進一步研究表明，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/聚合物復合材料的微波吸收性能，其研究結果表明，石墨烯與聚合物的復合材料具有比碳納米管、短碳纖維有更優良的微波吸收性能。石墨烯與聚合物復合材料具備優異的微波吸收性，從而使這種復合材料在受到微波作用時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用價值，也為解決熔融沉積工藝制造的快速成型件層向強度差的問題提供了一種全新的解決辦法。

【發明內容】

[0006]為了克服現有技術的不足，本發明的第一目的是提供一種提高塑料快速成型件強度的方法，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度高，沿層向強度好，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;本發明的第二目的是提供一種生產表面粘附石墨烯微片的3D打印專用線材的設備。
[0007]為了達到上述目的，本發明的第一目的是這樣實現的，其是一種提高塑料快速成型件強度的方法，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專用線材通過冷卻槽冷卻及定型，在冷卻槽內裝有石墨烯分散液，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干后，用收卷機收卷；
步驟二制作快速成型件
用熔融沉積工藝3D打印機制作快速成型件，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間長，體積小及厚度薄的快速成型件照射時間短；
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，保溫箱或烤箱的溫度控制在65±50C，放置10?20分鐘，待內部熱點緩慢冷卻后取出，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]在所述冷卻槽內設有上冷卻槽，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;在冷卻槽內設有潛水栗，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專用線材過線缺口處溢出流回冷卻槽下部形成循環，從而使上冷卻槽中的石墨烯分散液溫度保持穩定。
[0010]為了達到上述目的，本發明的第二目的是這樣實現的，其是一種生產表面粘附石墨烯微片的3D打印專用線材的設備，其特征在于包括機架、塑料擠出機、冷卻槽、超聲波分散器、牽引輪組及收卷機;其中所述塑料擠出機、冷卻槽及牽引輪組依次安裝在機架的臺面上，在所述冷卻槽中裝有石墨烯分散液，從塑料擠出機擠出的專用線材通過裝有石墨烯分散液的冷卻槽再進入牽引輪組，所述收卷機安裝在機架上并位于機架臺面下方，收卷機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架上，超聲波分散器的振動棒位于冷卻槽中超聲乳化石墨烯分散液。
[0011]在所述機架上設有導向輪，所述導向輪位于牽引輪組與收卷機之間；所述牽引輪組包括兩個牽引輪，兩個牽引輪上下分布。
[0012]在所述冷卻槽內設有上冷卻槽，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；在冷卻槽內設有潛水栗，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專用線材過線缺口處溢出流回冷卻槽下部形成循環，從而使上冷卻槽中的石墨烯分散液溫度保持穩定。
[0013]本發明與現有技術相比，具有如下優點:
(I)無需對現有熔融沉積工藝3D打印機的結構做任何改變，只需打印前對線材進行處理，打印后對工件進行處理即可，與