废旧耗材绿色回收及再生成微小型机械设备设计

田永军 陈彬杰 韩建鑫 靳 刚

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

1 技术背景

3D打印技术是以数字模型文件为基础，运用粉末状塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的一种增材制造技术。3D增材制造技术广泛应用于汽车、医疗保健、航空航天、模具制造、工业设计等领域[1-2]。常见的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）等热塑性材料。此类材料功能多样、比强度高、成本低、易于成型、机械性能和物理性能良好。

熔积成型法（Fused Deposition Modeling，FDM）是一种将丝材（ABS、PC等）加热熔化进而堆积成型的方法，可直接用于产品的制造，在许多领域有替代金属材料的趋势。但是，现有的FDM技术在打印过程中会产生一些废料，从而增加了制作成本。另外，大多数热塑性塑料不易降解，易造成生态环境问题。根据《2021—2027年中国再生塑料行业市场全景评估及发展前景展望报告》数据，我国塑料再生利用率较低。近年来，塑料再生利用率整体呈下降趋势，由2017年的27.8%降至了2020年的17.6%。许多塑料最终以废旧物、3D打印废旧耗材等形式被丢弃在大自然中，从而对生态环境以及可持续发展造成严重的负面影响。

在3D打印领域，ABS、PC等热塑性材料的绿色循环利用已成为可持续发展的重要组成部分。从环保和资源节约的要求出发，研究3D打印耗材的绿色回收制备符合社会发展需要，能够加强能源资源节约和生态环境保护，增强塑料资源重复利用与可持续发展能力。CHONG等研究了使用再生高密度聚乙烯（High Density Poly Ethylene，HDPE）制成的3D打印单丝耗材的方法[3]。KICKFLY、REFIL等企业已经将由回收材料制成的塑料单丝商业化，成功研制了95%的再生ABS单丝、再生聚对苯二甲酸乙二醇酯（Poly Ethylene Terephthalate，PET）单丝。上述研究证明了利用废旧耗材、塑料再生制备3D打印耗材的可行性[4-6]。然而，现有的3D打印废材回收再生产设备成本高、效率低、操作困难，不能满足学生实训与创新训练要求[7-8]。针对上述问题，本文设计了一种3D打印耗材绿色回收与再生设备，可将废料转化为可再利用原料，从而提高耗材的实际利用率，有效地解决了3D打印耗材乱扔造成的环境污染问题，降低了耗材成本消耗，在教学实践和创新训练领域具有重要的应用价值。

2 回收设备的功能实现及其工作原理

本文设计与研制了一种可以将废弃耗材绿色回收再利用的小微型机械设备，可高效实现废旧耗材的绿色回收再利用，有利于降低材料生产成本，改善环境污染等问题。3D打印耗材绿色回收再生产小微型机械装置主要由机械结构部分和控制系统的电路设计部分组成。

2.1 机设备的功能实现

2.1.1 预处理分离装置

目前，学生实践训练常用的3D耗材以PLA、ABS材料为主，两者密度不一致（分别为1.25～1.28 g·cm-3和1.05～1.18 g·cm-3），因此可利用预处理分离 装置，采用浮选方法分离废材，将密度低的ABS废材浮在液体上面，从而实现混合废旧耗材的分离，便于后续材料回收，提高再生产效率。

2.1.2 废弃耗材冷却与粉碎装置

冷却装置利用液氮作为冷却源，对废材实施低温冷却，以提高废材脆性，使废品处于易碎状态，便于粉碎。粉碎装置分为两部分：一部分为粗粉碎装置，即利用破碎辊将物料初步粉碎为粗颗粒；另一部分为精粉碎装置，由主轴旋转带动专用刀具实现物料的二级精细化粉碎，使物料粉碎为细颗粒。

2.1.3 控制系统功能实现

为确保机械设备的正常运转，需要通过不同的电机带动粉碎装置、热塑装置以及冷却回收装置运动来完成机械结构自动化操作。

2.2 工作原理

图1为废旧耗材绿色回收装置的结构图。工作原理为：第一，利用液氮将废旧3D耗材冷却脆化，使其物理性质发生变化；第二，将塑料耗材放置于一级粉碎装置，进入粗粉碎的储料仓；第三，二次精细化粉碎，将第一次粉碎后的较粗颗粒材料进行二次粉碎，使其尺寸细化、大小均匀；第四，粉末进入挤出成型装置，利用螺杆旋转并由加热筒加热，通过螺杆的转动使融化后的耗材均匀进入回收端，保证耗材受热均匀；第五，冷却挤丝快速成型收集，采用水浴冷却和顶端风扇的冷却，实现耗材回收。

2.3 设计流程

图2为耗材绿色回收及再生成小微型机械系统三维模型，总长度为120 cm，可视具体情况缩小设备尺寸。设备设计工作过程主要包括以下几方面。首先，3D打印废材进入漏斗容腔后，在液氮冷源的作用下，提高废旧塑料耗材的脆性。冷却材料的主要原因在于PLA、ABS塑料在-20～-40 ℃的环境下具有变脆的特性，此时塑料会失去大部分的能量吸收特性，当破碎系统击中废旧塑料时，容易使塑料解体，从而便于后续加工[9]。其次，用破碎装置中的破碎辊碾压破碎，使塑料形成较小的颗粒，然后进入精细化破碎腔，由主轴旋转带动专用破碎刀（齿距小）实现破碎与研磨，高效地将PLA、ABS塑料分解成细小颗粒。再次，挤压成型系统由料筒、螺旋杆驱动电机组成。其中，螺旋杆安装在料筒中，与驱动电机的输出轴连接。工作时，废旧耗材粉碎后，通过送料孔放置耗材颗粒，再通过驱动电机的作用带动螺旋杆运动，实现颗粒有效输出，最终通过加热区进行加热、熔化后，根据尺寸具体要求使用相应模头挤出成型。最后，挤压成型后的再生成新耗材，经水浴冷却后被输送到收集端。收集端通过控制不同型号大小的滚筒将成品折弯成卷，从而形成可使用的耗材产品。

3 结语

本文研制的3D耗材回收及再生产设备适用于学校实训和学生创新训练使用，解决了学生使用3D打印机初期由于不熟悉设备及操作不当而造成打印作品不合格带来的材料浪费问题。本设备具有以下特点：第一，能有效提高3D打印耗材的实际使用率；第二，在该回收装置挤丝处理区域安置有冷风机，并且能够使成品折弯成卷，可直接作为打印材料；第三，该装置结构紧凑、部件更换方便、成本低，降低了教学成本，同时在一定程度上缓解了实训教学和创新活动中所造成的废旧材料污染环境等问题，具有一定的推 广性。