本实用新型涉及一种双螺杆挤出机混炼挤出一步法3D打印耗材制备装置，属于3D打印领域。
技术背景
由于3D打印技术具有快速性、灵活性以及成本较低等优点，所以其在生产生活中得到了广泛的应用。热熔堆积成型法(FDM)作为3D打印技术中的一种，是最为常用的技术手段。耗材的材质、线径稳定性是影响制品力学性能、尺寸精度和表面质量的关键性因素。目前常用的3D打印材料主要包括PLA、ABS、PA、PC以及聚合物与木粉、碳纤维等组分构成的共混体系。
目前，市场上3D打印耗材制备装置中塑化挤出设备主要以单螺杆挤出机为主，但是单螺杆挤出机的混合效果较差，不适合制备由多组分复杂共混体系构成的3D打印耗材。为了解决单螺杆混合效果不佳的问题，研究人员提出了两步法制备3D打印耗材的工艺。例如，吴錬楷申请的中国发明专利“一种3D打印PLA耗材及其制备方法”(申请号：CN104672826A，申请日2015年6月3日)公开了一种两步法制备PLA耗材的方法：第一步，按照配方比例在双螺杆挤出机中制备颜色母粒；第二步，将母粒与PLA配混后，经挤出机挤出制得耗材。但是值得注意的是，虽然该两步法一定程度上解决了颜料在PLA基体中分散的问题，但是该方法只适用于PLA基耗材和需预先制备母粒的打印耗材，对于多组分复杂共混体系来讲并不适用。除此之外，该方法没有涉及如何提高耗材线径稳定性的方法。本实用新型的目的是致力于解决上述一种3D打印PLA耗材及其制备方法的缺陷，提出一种双螺杆挤出机混炼挤出一步法3D打印耗材制备装置。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于解决现有3D打印耗材生产技术难以满足多组分复杂共混体系的挤出以及线径稳定性较低的技术问题，提出了一种双螺杆挤出机混炼挤出一步法3D打印耗材制备装置。
本实用新型的一种双螺杆挤出机混炼挤出一步法3D打印耗材制备装置，简称本装置，主要包括物料配混模块、干燥脱水模块、混炼模块、稳压模块、挤出模头模块、冷却模块、牵引模块、储线模块、线径测量模块及料条收卷模块；
其中，物料配混模块主要包括混料机及其配套管路和辅助物料输送设备；物料配混模块包括人工方式和自动方式两种；其中自动方式又可包括自动上料机；
干燥脱水模块主要包括干燥料斗、加热器、风机及其配套电路和物料输送管路；
混炼模块主要包括双螺杆挤出机、主喂料器以及辅助喂料器；
其中，所述的双螺杆挤出机的螺杆直径在18-75mm之间，长径比在32-60之间，双螺杆挤出机的核心部件为机筒和螺杆，且机筒和螺杆均采用模块化组合形式；机筒工作温度设定范围为160-380℃，以满足不同配方物料的生产工艺要求，机筒通常包括主喂料口、侧喂料口、自然排气口和真空排气口；
其中，根据工艺不同，侧喂料口、自然排气口或真空排气口可以省略；双螺杆挤出机螺杆的设计不仅需要考虑主喂料口、侧喂料口、自然排气口和真空排气口的位置，而且还需要根据不同配方的加工工艺要求进行修正；
主喂料器与双螺杆挤出机主喂料口相连，以双螺杆或单螺杆计量喂料方式为主；辅助喂料器与双螺杆挤出机辅助加料口相连，以双螺杆强制喂料方式为主；
所述的稳压模块可以采用熔体齿轮泵或单螺杆挤出机；
其中，熔体齿轮泵的设计原则是在满足产量的基础上，齿轮参数选择尽可能使齿轮副重合度提高且齿槽容积减小；单螺杆挤出机的设计原则是，在满足产量的基础上，尽可能提高螺杆的建压能力；
挤出模头模块安装于稳压模块下游，其挤出口型为圆形，分为具有冷却定型功能和不具有冷却定型功能两种形式；
当使用具有冷却定型功能的挤出模头时，在挤出模头内，物料温度冷却到熔融温度以下，完成定型，后经冷却模块冷却到室温；
这种挤出模头及其控制系统设计时需要保证其适当的冷却能力和精确灵敏的温度调控能力，既能保证物料在挤出模头中进行冷却定型，又能保证物料被顺利挤出；
由于挤出模头承担了部分降温功能，所以在保持整个机组冷却能力不变的情况下，可以一定程度上缩短下游冷却模块的长度，减少本装置的占地面积；
当使用不具有冷却定型功能的挤出模头时，处于熔融状态的物料在离开挤出模头后会出现挤出胀大现象，需要综合考虑挤出速度、挤出胀大、挤出模头口型尺寸、物性参数等方面的影响，构建牵引模块内牵引装置中牵引辊的转动速度、混炼模块中双螺杆挤出机的螺杆转速、稳压模块的熔体齿轮泵或单螺杆挤出机的驱动速度之间的联动控制算法，以保证线径的精确性和稳定性；
经挤出模头模块输出的物料，称为料条；
冷却模块主要由初冷装置和深冷装置两部分组成；初冷装置通常为具有温控功能的恒温水槽，以减小料条线径的冷却收缩；深冷装置可分为风冷和水冷两种形式；风冷形式中，在料条周围施加强制空气热对流；水冷形式中，将料条浸润在循环流动的冷却水中；由于料条的物性参数不同，需要根据物性参数来确定深冷装置的冷却方式；例如，对于高温下遇水降解的物料需采用风冷，以免影响挤出料条的性能；对冷却速率有一定要求的物料，需采用水冷，提高冷却速率；为了满足多种物料的加工，深冷装置可以设计成风冷/水冷双工位互换形式。设计时，冷却介质的连接管路采用柔性材质，便于移动或拆卸。当加工物料种类相对固定时，可以根据物性特点，选定风冷或水冷形式的深冷装置；对于某些特种物料，冷却模块还可以不包括初冷装置。风冷式深冷装置通常为风冷箱；水冷式深冷装置通常为冷水槽；
牵引模块主要包括牵引装置，牵引装置包括牵引辊；其设计时需要考虑牵引辊的调距机构，以适应不同线径料条的牵引；需优化配置牵引装置的驱动装置，以保证牵引速度的稳定；牵引装置的牵引速度需要根据料条实际测量的线径与设定线径之间的差异、以及差异变化率来构建控制算法；通常还根据牵引装置中牵引辊转速和牵引辊转动圈数来计算耗材的生产速率和总长度；
储线模块主要包括储线装置；其设计时需考虑适当的恒定拉力和足够的储线长度，以避免料条收卷环节中更换料盘时出现耗材松散、脱离设备现象的出现；储线装置按照设备的空间布局不同，可以分为水平布置和竖直布置两种形式，可以根据制备装置占地和布局要求、设计储线长度来选择。采用水平布置时，储线装置通常位于冷却装置的上方，储线长度根据冷却装置的长度来设计；采用竖直布置时，储线装置通常位于冷却装置的下游位置，需考虑占地面积，布置相对灵活，其储线长度与储线架高度有关，往往考虑到储线装置的稳固性，储线长度一般较短；
线径测量模块包括测径仪，进行耗材线径测量；测径仪测量得到的线径参数是牵引模块内牵引装置中牵引辊的转动速度、混炼模块双螺杆挤出机的螺杆转速、稳压模块中熔体齿轮泵或单螺杆挤出机的驱动速度联动控制的重要参数；其中，测径仪选型时需考虑合适的测径范围和有效的测径精度；目前，常用的测径仪有单轴和双轴两种，以满足料条截面形状几何参数的测量要求；
线径测量装置的布置位置对料条线径控制的反应灵敏性有至关重要的影响，其布置原则是在保证测径仪正常工作的前提下，尽可能缩短线径控制的反馈长度，提高线径控制的反馈效率；线径测量模块可以布置在牵引模块的下游或上游位置，或者布置于挤出模头模块和冷却模块之间；线径测量模块安装位置越靠近挤出模头模块中挤出模头的出口，线径测量反馈路径越短，线径反馈效率越高，但所测料条的温度越高，对线径测量模块的耐高温要求越高；
料条收卷模块中，使用收卷装置完成耗材的收卷；为了提高生产效率，可采用具有双工位或多工位的收卷设备；在收卷过程中，收卷装置需具备恒力矩驱动能力，且需要具备收卷和排线联动控制功能，以保证耗材收卷整；线盘在收卷装置上的锁紧方式可分为人工和自动两种方式，人工方式通常使用锁紧螺母实现锁紧，自动方式通常使用气动锁紧机构实现锁紧。
各模块的功能如下：
物料配混模块具有多组分物料的预混以及控制配混时间的功能；
干燥脱水模块具有干燥脱水即对物料进行烘干和预结晶处理的功能，同时具有控制干燥温度和时间的功能；
混炼模块起到混炼即对干燥脱水后的物料进行混合且建压挤出的功能；
稳压模块具有降低因驱动电压波动、设备振动、温度波动以及螺杆内物料填充状态变化造成的双螺杆挤出机压力波动的功能；
挤出模头模块具有挤出定型功能，能够限制料条形状和直径；
冷却模块的功能是将料条温度降低到室温；
牵引模块起到提供耗材挤出后输送动力的作用；
储线模块具有储线即缓存料条的作用；
线径测量模块具有对料条线径进行测量以及与牵引模块、稳压模块和混炼模块联动控制料条线径的功能；
料条收卷模块具有料条收卷、排线的功能。
经收卷排线后的料条可用于3D打印，亦称为3D打印耗材。
一种双螺杆挤出机混炼挤出一步法3D打印耗材制备装置所依托的一种双螺杆挤出机混炼挤出一步法3D打印耗材制备方法，包括如下步骤：
步骤一、一定配方比例的物料在混料机中进行预混，预混后的物料再输出到干燥脱水模块；
其中，预混后的物料输出到干燥脱水模块可通过人工或自动方式实现；其中，自动方式的实现通常使用自动上料机；
步骤二、干燥脱水模块中的干燥料斗将预混后的物料进行烘干和预结晶处理，并将处理后的干燥物料输出给下游混炼模块；
值得注意的是，某些物料或生产环境下，干燥脱水模块可省略；
步骤三、混炼模块需要根据不同配方加工工艺要求修正双螺杆挤出机的机筒及其螺杆组合形式，上一步骤的物料经过混炼模块进行混炼挤出；
其中，根据工艺不同，双螺杆挤出机的机筒的侧喂料口、自然排气口或真空排气口可以省略；且螺杆设计需考虑主喂料口、侧喂料口、自然排气口和真空排气口的位置以及加工工艺要求；
步骤四、稳压模块中的熔体齿轮泵或单螺杆挤出机可降低混炼模块出口的物料压力波动，并增压将物料经挤出模头模块挤出；
步骤五、挤出模头模块将经过增压后的物料定型，牵引模块将挤出的料条牵引至冷却模块；
其中，挤出模头模块中挤出模头可分为具有冷却定型功能的挤出模头和不具有冷却定型功能的挤出模头两种，具有冷却定型功能的挤出模头将物料温度冷却到熔融温度以下，直接完成定型，从而可以省略线径测量模块并可以避免复杂的线径联动控制；物料经过不具有冷却定型功能的挤出模头需要构建牵引储线模块内牵引装置中牵引辊的转动速度、混炼模块中双螺杆挤出机的螺杆转速、稳压模块中熔体齿轮泵或单螺杆挤出机的驱动速度之间的联动控制算法，以保证线径的精确性和稳定性；
步骤六、冷却模块将料条冷却至室温，从而料条固定成型；
其中，冷却模块主要由初冷装置和深冷装置两部分组成；初冷装置通常为具有温控功能的恒温水槽，以减小料条线径的冷却收缩；深冷装置可分为风冷和水冷两种形式；
步骤七、牵引模块中通过牵引装置的牵引辊转动牵引料条，经牵引的料条被输送到储线模块中；
其中，牵引装置的设计需要考虑牵引辊的调距机构，以适应不同线径料条的牵引；
步骤八、储线模块通过储线装置暂时存储料条，存储的料条需要经过线径测量模块进入料条收卷模块；
其中，储线装置按照设备的空间布局不同，可以分为水平布置和竖直布置两种形式，可以根据制备装置占地和布局要求、设计储线长度来选择；
步骤九、线径测量模块中使用测径仪测量料条线径，测量合格的料条经料条收卷模块，完成料条的收卷；
其中，测径仪选型时需考虑合适的测径范围、测径精度及耐温性，在布置测径仪时应尽可能缩短线径控制的反馈长度，提高线径控制的反馈效率；
步骤十、料条收卷模块中收卷装置完成料条的收卷；
其中，收卷装置可采用具有双工位或多工位的收卷设备以提高生产效率；
至此，从步骤一到步骤十，构成了一种双螺杆挤出机混炼挤出一步法3D打印耗材制备方法。
有益效果
本实用新型提出的一种双螺杆挤出机混炼挤出一步法3D打印耗材制备装置，可用于制备由多组分复杂共混体系构成的且线径精度要求高的3D打印耗材，具有如下有益效果：
(1)本实用新型采用混炼模块和稳压模块，可保证多组分复杂共混体系物料配方的混炼加工，并起到了稳定挤出压力的作用；
(2)本实用新型提出的挤出模头模块中，采用具有冷却定型功能的挤出模头和不具有冷却定型功能的挤出模头时，均可以配合有效的控制途径，保证3D打印耗材的线径精度要求和稳定性；
(3)本实用新型提出的冷却模块中，冷却装置可采用风冷/水冷双工位互换形式，以适应不同种类物料的冷却；
(4)本实用新型提出的线径测量模块布置位置，可保证不同耐温程度的测径仪以最高反馈效率的方式进行线径测量；
(5)根据本实用新型所提及的各个模块中不同类型装置的性能分析，可以从成本、占地面积、产量以及3D打印耗材线径稳定性的角度来优化整体设备总成。
附图说明
为了更为清楚地说明本实用新型的一整套制备装置，下面将实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见，下面的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图；
图1是本实用新型及实施例1中一种双螺杆挤出机混炼挤出一步法3D打印耗材制备装置的成套总成示意图；
图2是本实用新型及实施例1中一种适合于制备含有较高比例的无机粉体添加剂的3D打印耗材制备装置的螺杆组合；
图3是本实用新型及实施例1中风冷/水冷双工位冷却装置结构示意图；
图4是本实用新型及实施例2中一种使用具有冷却定型功能的挤出模头的3D打印耗材制备装置的成套总成示意图；
图5是本实用新型及实施例2中一种具有冷却定型功能的挤出模头的结构示意图；
图6是本实用新型及实施例2中具有冷却定型功能的挤出模头中冷却块的结构；
图7是本实用新型及实施例3中一种适合于生产PEEK材质3D打印耗材制备装置的成套总成示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应当指出，本申请的实施并不局限于下面的实施例，对本申请所做的任何形式上的变通或改变将落入本实用新型保护范围。
实施例1
图1所示为一种双螺杆挤出机混炼挤出一步法3D打印耗材制备装置的成套总成。由物料配混模块、干燥脱水模块、混炼模块、稳压模块、挤出机头模块、冷却模块、牵引模块、储线模快、线径测量模块和料条收卷模块组成。该制备装置可生产耗材根数为1，产量在5-15kg/h，可保障料条直径在1.75±0.02mm范围内的精度要求。现针对图1所列各个模块对应设备的主要参数和特征进行介绍。
图1中，物料配混模块由混料机和自动上料机组成。其中，混料机配置的电机功率为0.75kW，筒体和搅拌桨叶选用不锈钢304材质，配混时间可以设定。其中，自动上料机的电机功率为0.75kW，可实现最高4m的物料提升。
图1中，干燥脱水模块中干燥料斗的桶容积为7.5L，加热器功率为4.5kW，风机功率为100W。设计时考虑了干燥机内热风流动问题，采用弯管型热风通道，可避免物料长时间堆积在桶底。筒体和搅拌桨叶选用不锈钢304材质。
图1中，混炼模块中双螺杆挤出机，螺杆直径为35mm，长径比为40，主电机功率为18.5KW，最高转速600rpm。机筒上布置了一个主加料口、一个辅助加料口、一个自然排气口和一个真空排气口。图2给出了该双螺杆挤出机螺杆和机筒组合示意图。主加料口布置在第1节机筒，辅助加料口和自然排气口布置在第5节机筒，真空排气口布置在第9节机筒。该组合特别适合制备含有较高比例的无机粉体添加剂的3D打印耗材。部分无机粉体添加剂随聚合物基体从主喂料口加入到螺杆内，迅速在第2-4节机筒内完成聚合物基体的熔融以及聚合物和无机粉体添加剂的共混。第5节机筒上开设有辅助加料口和自然排气口，剩余无机粉体添加剂从辅助加料口加入，并与来上游的掺混有无机粉体添加剂的聚合物熔体汇合，熔体进一步包裹住无机粉体添加剂向下游输送。该节机筒上的自然排气口可将两路料流中掺杂的空气排出。在第6-8节机筒内完成物料的混合。在第9节机筒位置，通过抽真空的方式，将小分子挥发物排出。第10节机筒内螺杆起到输送建压的作用，为后续熔体齿轮泵提供必要的供料压力。除第1节机筒进行强制冷却外，其它机筒均进行加热冷却控制，最高温度为400℃。主喂料器为单螺杆计量喂料器，其中带卧式搅拌器，以防架桥。辅助喂料器为双螺杆强制喂料器，强制推送物料。
图1中，稳压模块中熔体齿轮泵的排量为7cm3/r，最高转速50r/min。齿轮的模数m＝1.5，齿数Z＝20。采用伺服电机驱动，功率P＝2kW。其出入口均布置熔体压力传感器，对入口压力、出口压力和出入口压差进行测量，以保证设备运行安全。熔体齿轮泵的最高工作温度为400℃。
图1中，挤出模头模块采用不具有冷却定型功能的挤出模头，物料离开挤出模头出口时会出现挤出胀大现象。控制系统中，综合考虑挤出速度、挤出胀大、挤出模头口型尺寸及物性参数的影响，构建牵引模块内牵引装置中牵引辊的转动速度、双螺杆挤出机的螺杆转速、熔体齿轮泵的转子转速之间的联动控制算法，以保证线径的精确性和稳定性。
图1中，冷却模块包括初冷装置和深冷装置两部分。其中初冷装置采用恒温水槽。水温控制在40℃，以减小耗材线径的冷却收缩。深冷装置采用风冷/水冷双工位互换形式。风冷/水冷双工位冷却装置结构如图3所示。风冷箱101和冷水槽102使用连接杆103连接。风冷箱101和冷水槽102上有至少两组导轨套104。穿过导轨套104的导轨105固定在固定支架106上。风冷箱101和冷水槽102可在导轨105上滑动。固定支架106上安装可以旋转的丝杠107，通过旋转手柄108实现转动。风冷箱101和冷水槽102上有螺母109。螺母109和丝杠107构成滚珠丝杠传动机构。通过手柄108转动丝杠107，螺母109呈现沿着丝杠轴线的直线运动，从而实现风冷箱101和冷水槽102的位置变化。当加工PLA、ABS等材质的3D打印耗材时使用水冷形式，当加工PA、PEEK材质的3D打印耗材时使用风冷形式。初冷装置的长度为2.5m，深冷装置的长度为4m。
图1中，牵引模块中牵引装置采用伺服电机驱动系统，电机的功率为0.75kw。该牵引装置具有牵引辊调距机构，以适应不同线径3D打印耗材的牵引。牵引辊轴上安装超声波传感器，以测量牵引辊的转速和转动圈数，以计算耗材的生产速率和总长度。
图1中，储线模块中储线装置采用电磁离合器实现恒张力控制。采用水平布置储线装置，安装于冷却装置的上方，其最大储线长度为100m。
图1中，线径测量模块中采用双轴测径仪，在测量3D打印耗材直径的同时可以分析3D打印耗材截面形状的圆度。测量最大量程为10mm，测量精度0.001mm，最高耐温为60℃。
图1中，料条收卷模块中收卷装置具有两个收卷工位，均采用伺服电机进行控制。该装置采用线盘气动锁紧机构，可有效降低操作人员劳动强度，提高收卷效率。
实施例2
图4给出了一种使用具有冷却定型功能的挤出模头的3D打印耗材制备装置的成套总成示意图。由物料配混模块、干燥脱水模块、混炼模块、稳压模块、挤出机头模块、冷却模块、牵引模块、储线模快和料条收卷模块组成。该制备装置可生产耗材根数为1，产量在5-15kg/h，可保障料条直径在1.75±0.02mm范围内的精度要求。
本实施例所包括的设备特征和参数基本与实施例1一致。与实施例1不同的是，由于挤出模头模块中使用了具有冷却定型功能的挤出模头，所以实施例2中提出的成套总成方案中不包括线径测量模块，同时也避免了复杂的联动控制算法。但是需要采用精确和灵敏的温度控制系统来对挤出模头进行温度控制，以既能保证物料在挤出模头中的冷却定型，又能保证物料被顺利挤出。图5给出了具有冷却定型功能的挤出模头结构示意图，其中包括3个定型块和1个机头连接体。其中202、203、204为定型块，201为机头连接体。沿着挤出方向，定型块的内径从4mm逐渐减小到1.75mm。衔接位置有过渡倒角，避免流动死角。图6给出了具有冷却定型功能的挤出模头中定型块的结构，其中2001为内套，2002为外套，两者通过焊接方式进行组合，形成冷却介质流通通道。定型块和机头连接体上均安装加热器和热电偶。温控仪表接收来自热电偶的温度信号，并采用PID算法进行加热冷却控制。此外，由于耗材已在挤出模头中定型，其直径是由定型段直径决定的，无需再使用复杂的联动控制算法来保证3D打印耗材线径。在线材生产过程中可采用离线抽检的方式检测线径数据，如发生3D打印耗材线径超出规定范围的现象，说明模具定型段磨损，需要进行更换。
实施例3
图7给出了一种适合于生产PEEK材质3D打印耗材制备装置的成套总成。由物料配混模块、干燥脱水模块、混炼模块、稳压模块、挤出机头模块、冷却模块、牵引模块、储线模快、线径测量模块和料条收卷模块组成。
本实施例所包括的设备特征和参数基本与实施例1一致。与实施例1不同的是，为了避免高温PEEK熔体遇水后降解、收缩及产生内应力，实施例3的冷却模块没有配置初冷装置(恒温水槽)。
以上所示是本实用新型的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。