3D打印PET耗材回收装置研究报告

摘要：3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造，用可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体，主要可使用PET、ABS，PLA等3D打印耗材来打印模型。但打印耗材昂贵，普适性不强，本项目尝试采用PET塑料原料制作耗材（例如废旧塑料矿泉水瓶），将其转变为3D打印耗材，那么使用成本大大降低，也有利于资源回收再利用，为塑料垃圾减排做贡献。

关键词：回收再利用   PET耗材回收  3D打印耗材

一、技术领域

本实用新型属于3D打印技术领域，涉及用于3D打印PET耗材回收装置。主要利用把身边的废旧塑料（例如矿泉水瓶），转变为3D打印耗材。

二、背景技术

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造，用可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体，主要可使用PET、ABS，PLA等3D打印耗材来打印模型。

但现有的3D打印余料回收装置，是对于打印余料进行回收利用，使用单一，成本也高，设备复杂。在我们追求高效生产与创新产品时同样需要考虑与环境友好相结合。而市面上的3D打印耗材，用大量优质塑料制成，成本高昂，不环保。ABS在3D打印过程中，会释放出丙烯晴、丁二烯、苯乙烯，危害人身健康。如果能把身边的废旧塑料（例如矿泉水瓶），转变为3D打印耗材，那么成本低廉，也有利于环保，为塑料垃圾减排做贡献。

三、项目研究分析

市面上的3D打印耗材，用大量优质塑料制成，成本高昂，不环保。一卷1KG重量的ABS材质3D打印耗材价格约为150-300元。一卷1KG重量的PLA材质的3D打印耗材价格约为100-250元。1KG耗材约有1/10会被用来打印作品支撑。因而一卷200元的耗材大约有10到20元的成本会被浪费，并且这些浪费的耗材都是最优质的塑料。为了资源再利用和可持续发展，并减少ABS在3D打印过程中释放出的丙烯晴、丁二烯、苯乙烯，危害人身健康。本项目尝试采用PET塑胶原料制作耗材。如能把身边的废旧塑料（例如矿泉水瓶），转变为3D打印耗材，那么成本低廉，也有利于环保，为塑料垃圾减排做贡献。

四、项目设计思路

设计目标

设计一种装置，能够回收3D打印中产生的PET耗材，通过再处理使之重新成为可用的3D打印材料，旨在提高耗材利用率，减少环境污染，实现资源的可持续利用。

设计原则

高效转化：装置应能高效地将PET废料转化为可再次使用的3D打印耗材。

环保节能：在整个回收过程中，应尽量减少能源消耗和环境污染。

操作简便：设计应便于用户操作，简化回收流程，降低技术门槛。

成本效益：在保证性能的前提下，尽可能降低装置的生产和使用成本。

技术路线

材料选择：选用PET为主要回收对象，因其广泛应用于3D打印领域，回收价值高。

设备构成：主要由集料模块、加热挤出模块、冷却模块、控制模块和绞盘模块五部分组成。

设计细节

通过构思，我确定了3D打印PET耗材回收装置由首先把10mm塑料扁条卷在绞盘上，将10mm塑料扁条通过加热器座上固定的加热头，通过k型温控器可以调整加热头的温度，加热到245°c的温度使塑料扁条融化后经过成型喷嘴使用冷却风扇冷却，形成1.75mm的3D打印线材，使成型的1.75mm线材卷到轴缸，通过电机转速调整开关可以调整减速电机的转速，使线材的质量变的更好。最后的成品线材就可以用来打印了。

3D打印技术快速发展，产生了大量废弃的打印耗材，特别是PET材质的耗材。这些废弃物若未得到妥善处理，将对环境造成负担。因此，开发一种有效的PET耗材回收装置显得尤为重要。

五、项目作品结构组成及创新原理

3D打印PET耗材回收装置结构：包括3030型材（1）、侧支架（2）、成型喷嘴（3）、从动齿轮轴（4）、电机安装后板（5）、电机安装前板（6）、电机安装锁1（7）、电机安装锁2（8）、电机板（9）、电机盖（10）、电机转速调整开关（11）、电源连接器盖（12）、盖板1（13）、盖板2（14）、加热器座（15）、加热头（16）、减速电机（17）、绞盘支架（18）、卷丝轴（19）、开关（20）、开关电源（21）、冷却风扇（22）、冷却风扇支架（23）、排风风扇（24）、条形支架垫圈1（25）、条形支架垫圈2（26）、条形支架螺母（27）、右底壳（28）、轴承板（29）、轴缸（30）、轴缸侧板（31）、主动齿轮轴（32）左底壳（33）、K型温控器（34）、L型支架（35）、M8螺母（36）。

另外结构件集成化后通过电器接线图连接电器件。采用温控器控制加热头至温度245°c温度使塑料扁条融化经过成型喷嘴、冷却风扇的冷却形成1.75mm的3D打印线材。如图是3D打印PET耗材回收装置电器接线图：

3D打印耗材PET回收装置的核心原理是材料的高温熔化、冷却成型和集成化。由绞盘模块、加热挤出模块、冷却模块、集料模块、控制模块组成的3D打印材料PET回收机构与电机转速调整开关及减速电机组成的轴缸机构协同工作，塑料扁条经过直径1.75mm的加热头后被熔化，由电动绞盘牵拉，冷却风扇降温以达到将扁条拉丝成为直径1.75mm的PET线材的目的。这个过程类似于传统的铸造和塑形工艺，但具有更高的精度和灵活性。

六、项目具体使用方法

七、开始加工3D打印PET材料时，先打开电源通电，温控器开始调控温度至245°c将处理好的瓶子切成10mm的塑料扁条安装到绞盘模块上，并穿入到加热挤出模块加热，热熔拉丝，拉出的丝经过冷却模块快速定型成1.75mm的PET线材，将产生的耗材和轴缸连接，集料模块收集线材，并通过控制模块调整减速电机的转速使线材的质量变的更好。

试用效果：通过截取30cm长的耗材，每隔5cm取一个点，使用游标卡尺测量耗材直径，6次数据均为1.75mm，说明每次生产的耗材均匀一致，可供3D打印机使用，完成了目标。

七、项目主要贡献及创新点

该项目主要创新是废旧塑料回收再利用和结构件上进行了集成化，解决了3D打印耗材成本高、回收设备大而复杂、操作不方便的问题。利用回收的线材可以在学校教学中、实验打印物品时能够大大减少3D打印使用成本，而简单的操作非常容易上手，增加了3D打印耗材PET回收装置的实用性。

该项目创新点如下：

1、集成结构，安装便捷：模块化的设计，让结构件集成化，拼装简单。

2、一体多用，场景切换：温控器温度可调，集料模块转速可调，保证成品均匀度，方便不同场景使用。

3、安全环保，回收再生：免清洗，不产生额外的污水，有害气体。

4、操作简单，方便携带：只需装料、加热、拉丝、回收四步，无需复杂的中间处理，不产生额外能耗。

5、成本低廉，循环使用：废旧塑料瓶材料的成本低廉，收集的线材可以在教学中和实验中使用，大大减少了使用成本。

八、结论

通过文献资料及专利的查询和对市场的调研，未发现有类似的专利和类似的产品。正在申请专利，专利受理书已下。本项目通过绞盘模块、加热挤出模块、冷却模块、集料模块、控制模块组成的3D打印材料PET回收机构与电机转速调整开关及减速电机组成的轴缸机构协同工作，解决了3D打印耗材成本高、回收设备大而复杂、操作不方便的问题。从而大大减少了3D打印使用成本和简化操作性，增加了3D打印耗材PET回收装置的实用性。本项目创新点包括模块集成化、安全环保、操作简单和成本低廉，进一步提高了了3D打印耗材PET回收装置的实用性，操作性。整体设计框架合理，实现了在教学中、实验中等多场景的使用。该项目具有一定的创新性和实用性，市场前景好，与江阴诺普得科技有限公司已经签订了合作意向书，准备进行量产，也对新型的教学模式提供了积极的促进作用。

参考文献

[1]PET托盘的闭环回收循环[J].绿色包装，2019，（05）：41-42.

[2]郑栋，宋桂阳，甘新基.一种3D打印耗材回收设备的设计[J].科技经济市场，2018，（02）：4-5.

[3]徐宏，夏建强.安徽恒利增材制造科技有限公司.3D打印快速成型机的粉料回收装置[Z].项目立项编号.鉴定单位：中华人民共和国国家知识产权局.鉴定日期：2017-11-10