廢舊耗材綠色回收及再生成微小型機械設(shè)備設(shè)計

田永軍 陳彬杰 韓建鑫 靳 剛

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

1 技術(shù)背景

3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的一種增材制造技術(shù)。3D增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療保健、航空航天、模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域[1-2]。常見的3D打印耗材主要有聚乳酸（Poly Lactic Acid，PLA）、丙烯腈（A）-丁二烯（B）-苯乙烯（S）和高分子聚碳酸酯（Poly Carbonate，PC）等熱塑性材料。此類材料功能多樣、比強度高、成本低、易于成型、機械性能和物理性能良好。

熔積成型法（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）是一種將絲材（ABS、PC等）加熱熔化進而堆積成型的方法，可直接用于產(chǎn)品的制造，在許多領(lǐng)域有替代金屬材料的趨勢。但是，現(xiàn)有的FDM技術(shù)在打印過程中會產(chǎn)生一些廢料，從而增加了制作成本。另外，大多數(shù)熱塑性塑料不易降解，易造成生態(tài)環(huán)境問題。根據(jù)《2021—2027年中國再生塑料行業(yè)市場全景評估及發(fā)展前景展望報告》數(shù)據(jù)，我國塑料再生利用率較低。近年來，塑料再生利用率整體呈下降趨勢，由2017年的27.8%降至了2020年的17.6%。許多塑料最終以廢舊物、3D打印廢舊耗材等形式被丟棄在大自然中，從而對生態(tài)環(huán)境以及可持續(xù)發(fā)展造成嚴重的負面影響。

在3D打印領(lǐng)域，ABS、PC等熱塑性材料的綠色循環(huán)利用已成為可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。從環(huán)保和資源節(jié)約的要求出發(fā)，研究3D打印耗材的綠色回收制備符合社會發(fā)展需要，能夠加強能源資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護，增強塑料資源重復(fù)利用與可持續(xù)發(fā)展能力。CHONG等研究了使用再生高密度聚乙烯（High Density Poly Ethylene，HDPE）制成的3D打印單絲耗材的方法[3]。KICKFLY、REFIL等企業(yè)已經(jīng)將由回收材料制成的塑料單絲商業(yè)化，成功研制了95%的再生ABS單絲、再生聚對苯二甲酸乙二醇酯（Poly Ethylene Terephthalate，PET）單絲。上述研究證明了利用廢舊耗材、塑料再生制備3D打印耗材的可行性[4-6]。然而，現(xiàn)有的3D打印廢材回收再生產(chǎn)設(shè)備成本高、效率低、操作困難，不能滿足學(xué)生實訓(xùn)與創(chuàng)新訓(xùn)練要求[7-8]。針對上述問題，本文設(shè)計了一種3D打印耗材綠色回收與再生設(shè)備，可將廢料轉(zhuǎn)化為可再利用原料，從而提高耗材的實際利用率，有效地解決了3D打印耗材亂扔造成的環(huán)境污染問題，降低了耗材成本消耗，在教學(xué)實踐和創(chuàng)新訓(xùn)練領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

2 回收設(shè)備的功能實現(xiàn)及其工作原理

本文設(shè)計與研制了一種可以將廢棄耗材綠色回收再利用的小微型機械設(shè)備，可高效實現(xiàn)廢舊耗材的綠色回收再利用，有利于降低材料生產(chǎn)成本，改善環(huán)境污染等問題。3D打印耗材綠色回收再生產(chǎn)小微型機械裝置主要由機械結(jié)構(gòu)部分和控制系統(tǒng)的電路設(shè)計部分組成。

2.1 機設(shè)備的功能實現(xiàn)

2.1.1 預(yù)處理分離裝置

目前，學(xué)生實踐訓(xùn)練常用的3D耗材以PLA、ABS材料為主，兩者密度不一致（分別為1.25～1.28 g·cm-3和1.05～1.18 g·cm-3），因此可利用預(yù)處理分離 裝置，采用浮選方法分離廢材，將密度低的ABS廢材浮在液體上面，從而實現(xiàn)混合廢舊耗材的分離，便于后續(xù)材料回收，提高再生產(chǎn)效率。

2.1.2 廢棄耗材冷卻與粉碎裝置

冷卻裝置利用液氮作為冷卻源，對廢材實施低溫冷卻，以提高廢材脆性，使廢品處于易碎狀態(tài)，便于粉碎。粉碎裝置分為兩部分：一部分為粗粉碎裝置，即利用破碎輥將物料初步粉碎為粗顆粒；另一部分為精粉碎裝置，由主軸旋轉(zhuǎn)帶動專用刀具實現(xiàn)物料的二級精細化粉碎，使物料粉碎為細顆粒。

2.1.3 控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)

為確保機械設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，需要通過不同的電機帶動粉碎裝置、熱塑裝置以及冷卻回收裝置運動來完成機械結(jié)構(gòu)自動化操作。

2.2 工作原理

圖1為廢舊耗材綠色回收裝置的結(jié)構(gòu)圖。工作原理為：第一，利用液氮將廢舊3D耗材冷卻脆化，使其物理性質(zhì)發(fā)生變化；第二，將塑料耗材放置于一級粉碎裝置，進入粗粉碎的儲料倉；第三，二次精細化粉碎，將第一次粉碎后的較粗顆粒材料進行二次粉碎，使其尺寸細化、大小均勻；第四，粉末進入擠出成型裝置，利用螺桿旋轉(zhuǎn)并由加熱筒加熱，通過螺桿的轉(zhuǎn)動使融化后的耗材均勻進入回收端，保證耗材受熱均勻；第五，冷卻擠絲快速成型收集，采用水浴冷卻和頂端風(fēng)扇的冷卻，實現(xiàn)耗材回收。

2.3 設(shè)計流程

圖2為耗材綠色回收及再生成小微型機械系統(tǒng)三維模型，總長度為120 cm，可視具體情況縮小設(shè)備尺寸。設(shè)備設(shè)計工作過程主要包括以下幾方面。首先，3D打印廢材進入漏斗容腔后，在液氮冷源的作用下，提高廢舊塑料耗材的脆性。冷卻材料的主要原因在于PLA、ABS塑料在-20～-40 ℃的環(huán)境下具有變脆的特性，此時塑料會失去大部分的能量吸收特性，當(dāng)破碎系統(tǒng)擊中廢舊塑料時，容易使塑料解體，從而便于后續(xù)加工[9]。其次，用破碎裝置中的破碎輥碾壓破碎，使塑料形成較小的顆粒，然后進入精細化破碎腔，由主軸旋轉(zhuǎn)帶動專用破碎刀（齒距?。崿F(xiàn)破碎與研磨，高效地將PLA、ABS塑料分解成細小顆粒。再次，擠壓成型系統(tǒng)由料筒、螺旋桿驅(qū)動電機組成。其中，螺旋桿安裝在料筒中，與驅(qū)動電機的輸出軸連接。工作時，廢舊耗材粉碎后，通過送料孔放置耗材顆粒，再通過驅(qū)動電機的作用帶動螺旋桿運動，實現(xiàn)顆粒有效輸出，最終通過加熱區(qū)進行加熱、熔化后，根據(jù)尺寸具體要求使用相應(yīng)模頭擠出成型。最后，擠壓成型后的再生成新耗材，經(jīng)水浴冷卻后被輸送到收集端。收集端通過控制不同型號大小的滾筒將成品折彎成卷，從而形成可使用的耗材產(chǎn)品。

3 結(jié)語

本文研制的3D耗材回收及再生產(chǎn)設(shè)備適用于學(xué)校實訓(xùn)和學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練使用，解決了學(xué)生使用3D打印機初期由于不熟悉設(shè)備及操作不當(dāng)而造成打印作品不合格帶來的材料浪費問題。本設(shè)備具有以下特點：第一，能有效提高3D打印耗材的實際使用率；第二，在該回收裝置擠絲處理區(qū)域安置有冷風(fēng)機，并且能夠使成品折彎成卷，可直接作為打印材料；第三，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、部件更換方便、成本低，降低了教學(xué)成本，同時在一定程度上緩解了實訓(xùn)教學(xué)和創(chuàng)新活動中所造成的廢舊材料污染環(huán)境等問題，具有一定的推 廣性。