提高塑料快速成型件强度的方法及生产专用线材的设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高塑料快速成型件强度的方法及生产专用线材的设备，特别是涉及一种通过在塑料线材表面添加石墨烯微片并经微波处理来提高塑料快速成型件强度的方法及生产专用线材的设备，其适用于各种采用熔融沉积工艺成型的塑料快速成型件。
【背景技术】
[0002]熔融沉积(H)M)快速成型工艺是将热塑性或其他热熔性材料加热，在熔融状态将其从喷嘴中挤出，利用挤出的细丝状材料在高温下的粘结性逐层堆积形成所需零件。该技术最早由美国Stratasys公司于1993年研发成功，因其无需激光、使用及维护简单、成型材料种类多、生产成本低及精度较高等优点，目前已成为应用最广泛的一种快速成型技术(3D打印技术)。
[0003]利用熔融沉积工艺制造出来的快速成型件内部是由多层方向不同的丝材以及丝材与丝材间的粘结部分共同形成的实体，因此其强度不但与所用丝材本身的强度有关，也与层与层、层内丝材之间的粘结强度有关。丝材间的粘结强度取决于界面温度和扩散时间，粘结时界面温度越高，扩散时间越充分，界面的粘结强度就越高。然而在成型打印时，层与层间由于间隔时间较长，前一层已经完全冷却凝固后才开始堆积后一层，从而导致界面温度下降，粘结强度差。因此，对于熔融沉积工艺制造出来的快速成型件而言，其在各个方向的强度是不同的，沿层向的强度远低于沿丝材打印方向的强度，这对熔融沉积工艺快速成型件的使用是非常不利的。随着熔融沉积快速成型技术应用越来越广泛，其强度不足，特别是沿层向强度差的缺点对使用造成的不良影响也越来越大，这促使研究人员关注和解决这一问题。有研究人员在3D打印机中设置红外线或激光等加热装置，在成型过程中利用加热装置对成型部位进行局部加热来提高层间强度，然而这种方法要让加热装置随打印机挤出头一起运动，且要在极短时间内加热成型部位，导致机械结构很复杂，设备可靠性差，同时也无法准确控制加热区域的温度，因此效果并不理想。
[0004]另一方面，自2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈.杰姆和克斯特亚.诺沃消洛夫通过实验获得石墨烯以来，近年来石墨烯已成为各国研究的热点。石墨烯是从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，是由单层六角原胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体，因其具有超薄、超高强度、超强导电性、室温导热、透光性及结构稳定等优点，应用前景巨大。中国在石墨烯的研究和应用上具有独特的优势，原因有两方面，(I)石墨烯的生产原料石墨在我国储量丰富，价格低廉；(2)我国企业目前已解决了这类材料量产的难题，成功地将石墨烯的制造成本降了下来。这为我国在各领域应用石墨烯创造了良好的条件。
[0005]对石墨烯的进一步研究表明，石墨烯具有理想的微波吸收特性，将其与聚合物复合可以制备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、碳纳米管/聚合物、短碳纤维/聚合物复合材料的微波吸收性能，其研究结果表明，石墨烯与聚合物的复合材料具有比碳纳米管、短碳纤维有更优良的微波吸收性能。石墨烯与聚合物复合材料具备优异的微波吸收性，从而使这种复合材料在受到微波作用时其温度上升比不含石墨烯的聚合物要快得多，这在工程上具有重要的应用价值，也为解决熔融沉积工艺制造的快速成型件层向强度差的问题提供了一种全新的解决办法。
【发明内容】
[0006]为了克服现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种提高塑料快速成型件强度的方法，从而使采用熔融沉积快速成型工艺制造出来的塑料快速成型件强度高，沿层向强度好，并能保持工件原有尺寸与形状不变，该方法操作简便、成本低及效果好，适用于各种热塑性塑料快速成型件;本发明的第二目的是提供一种生产表面粘附石墨烯微片的3D打印专用线材的设备。
[0007]为了达到上述目的，本发明的第一目的是这样实现的，其是一种提高塑料快速成型件强度的方法，其特征在于包括如下步骤:
步骤一制备表面粘附石墨烯微片的塑料线材
用塑料挤出机将ABS或PLA或PC塑料颗粒挤出成为直径为I.75±0.03mm或3±0.05mm的3D打印机专用线材，所述专用线材适用于熔融沉积成型工艺(FDM);将刚挤出的仍未固化的热态专用线材通过冷却槽冷却及定型，在冷却槽内装有石墨烯分散液，专用线材通过冷却槽后表面粘附了石墨烯微片;待粘附石墨烯微片的专用线材表面的水分蒸发干后，用收卷机收卷；
步骤二制作快速成型件
用熔融沉积工艺3D打印机制作快速成型件，打印材料用步骤一制作的表面粘附石墨烯微片的专用线材;快速成型件制作好后拆除支撑，清理表面；
步骤三微波处理
将步骤二制作的快速成型件放入微波炉中进行微波照射处理，微波频率为915MHz或2450MHz，微波照射间为0.2?5分钟，体积及厚度大的快速成型件照射时间长，体积小及厚度薄的快速成型件照射时间短；
步骤四保温与冷却
将步骤三处理过的快速成型件放入保温箱或烤箱内，保温箱或烤箱的温度控制在65±50C，放置10?20分钟，待内部热点缓慢冷却后取出，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体及电导率〈0.5yS/cm的去离子水，在石墨烯分散液中石墨烯粉体占0.05%?0.2%，其为质量百分比，石墨烯粉体的颗粒横向尺寸为0.5?5微米;制备时将石墨烯粉体加入去离子水中，在室温下用超声波分散器超声乳化10?20分钟，得到石墨烯分散液，在线材处理过程中保持超声波分散器开启。
[0009]在所述冷却槽内设有上冷却槽，在上冷却槽中装有石墨烯分散液，所述专用线材通过上冷却槽冷却及定型;在冷却槽内设有潜水栗，所述潜水栗的入口与冷却槽底部连通，潜水栗的出口与上冷却槽连通，从而将冷却槽中的石墨烯分散液抽到上冷却槽中，并使上冷却槽中的石墨烯分散液的液面高过专用线材的顶部;石墨烯分散液抽满后从上冷却槽左右两侧专用线材过线缺口处溢出流回冷却槽下部形成循环，从而使上冷却槽中的石墨烯分散液温度保持稳定。
[0010]为了达到上述目的，本发明的第二目的是这样实现的，其是一种生产表面粘附石墨烯微片的3D打印专用线材的设备，其特征在于包括机架、塑料挤出机、冷却槽、超声波分散器、牵引轮组及收卷机;其中所述塑料挤出机、冷却槽及牵引轮组依次安装在机架的台面上，在所述冷却槽中装有石墨烯分散液，从塑料挤出机挤出的专用线材通过装有石墨烯分散液的冷却槽再进入牵引轮组，所述收卷机安装在机架上并位于机架台面下方，收卷机收卷通过牵引轮组的专用线材;所述超声波分散器安装在机架上，超声波分散器的振动棒位于冷却槽中超声乳化石墨烯分散液。
[0011]在所述机架上设有导向轮，所述导向轮位于牵引轮组与收卷机之间；所述牵引轮组包括两个牵引轮，两个牵引轮上下分布。
[0012]在所述冷却槽内设有上冷却槽，在上冷却槽中装有石墨烯分散液，所述专用线材通过上冷却槽冷却及定型；在冷却槽内设有潜水栗，所述潜水栗的入口与冷却槽的底部连通，潜水栗的出口与上冷却槽连通，从而将冷却槽中的石墨烯分散液抽到上冷却槽中，并使上冷却槽中的石墨烯分散液的液面高过专用线材的顶部;石墨烯分散液抽满后从上冷却槽左右两侧专用线材过线缺口处溢出流回冷却槽下部形成循环，从而使上冷却槽中的石墨烯分散液温度保持稳定。
[0013]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
(I)无需对现有熔融沉积工艺3D打印机的结构做任何改变，只需打印前对线材进行处理，打印后对工件进行处理即可，与