1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究背景

新时代，社会经济快速发展给了塑料广泛运用的机会，塑料依靠自身优异的物理化学性能，在越来越多的领域替代木材、钢铁、皮革、布匹等传统原料，在生产生活中起到越来越重要的作用。在世界各国中，我国的塑料产业产量始终位居前列，国家统计局数据表明，我国塑料产量在2012年为5781.8万吨，同比上年增长8.99%。但是，我国的塑料品消耗量更为巨大，约为产量的150% ，我国已经成为废塑料进口消费最多的国家。2011年，我国的废旧塑料量已十分巨大，约为2亿t；其中塑料瓶多为“1号”pet材料与“2号”hdpe材料，以两者为材料的塑料瓶占据97%以上的市场，且pet塑料瓶远多于hdpe塑料瓶。2014-2019年期间全球的pet市场将以7.3%的年增长率强劲增长，预计在未来几年的时间里这种趋势将在各大的领域继续维持。

当今世界塑料瓶的生产量与回收量正随着社会的发展而不断提升，由于塑料瓶的不稳定性，塑料瓶的回收利用也逐渐成为了世界环境保护与废物回收问题的重中之重。国外pet塑料瓶的回收方式多采用塑料的简单再生法，部分采用裂解单体化技术。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究的基本内容

本课题“一种新型环保3D打印机的设计”针对目前打印机丝材价格高昂，材料单一且目前PET塑料瓶回收困难等问题，设计出一种新型结构的3D打印机，并针对塑料瓶丝材的预处理对材料进行一定的改性；同时，对应特殊丝材的利用，对打印机喷头提出新的机械结构设计方案。

主要工作内容包括：

（1）PET材料改性的研究设计

对比目前市面上存在的打印丝材ABS和PLA的相关性质，查阅相关资料，深入了解PET材料特性，设计研究改变PET材料特性的物质及用量。

（2）3D打印机机械机构设计

设计一种新型合理的3D打印机喷头部分机械结构，满足特殊PET丝材的使用。

（3）3D打印机喷头热力学分析

基于ANSYS有限元分析，验证分析喷头加热及散热部分的温度变化及温度分布情况，基于热分析结果，对喷头结构进行优化改进。

（4）3D打印机喷头部分流体分析

建立流体力学方程，利用ANSYS有限元分析软件，对熔融PET流体流动性及打印机降温气流流体仿真分析，验证分析初期的流体流动性能，并对较大误差部分修正。

2.2研究目标

设计一种新型的环保3D打印机并建立热力学及流体力学方程，利用ANSYS有限元分析仿真，对机构进行优化。

2.3拟采用的技术方案及措施

2.3.1 材料改性技术方案

PET在较宽的温度范围内可以保持优良的物理性能和力学性能，它具有优良的耐疲劳性和耐老化性，对大多数有机溶剂和无机酸稳定，而且它生产能耗比较低，具有良好的加工性，由于PET成核困难，结晶速率缓慢，成型模具温度要求高且成型周期性长等，难以满足3D打印对快速成型的要求。因此需要对其改性，查阅相关资料，通过添加成核剂使其结晶速率加快，能够快速成型，满足3D打印对快速成型的要求，同时又能使其拉伸强度，弯曲强度等力学性能显著提高。

工业上PET热熔温度一般为270-290℃，考虑到废旧的PET塑料瓶，会发生塑料瓶老化，分子链变短，使的其熔点及玻璃化转变温度发生变化。对废旧的PET塑料瓶（以怡宝和农夫山泉为例）进行DSC实验（热分析实验）分析，图4、5分别为怡宝、农夫山泉塑料瓶测试结果。

图4 怡宝塑料瓶的分析图谱 图5 农夫山泉塑料瓶分析图

由实验数据曲线分析得，废旧PET材料的Tm（熔点）为240°C-255°C。查阅文献及实验验证得出加入成核剂对PET结晶效果的参数影响，如图表1

表1 成核剂对PET结晶效果的影响

通过查阅相关文献，对目前市面上的成核剂进行对比，最终选择无机类成核剂—滑石粉。废旧塑料瓶所切的丝进入所设计螺旋结构熔融后与成核剂在剪切作用力下混合均匀，从而实现快速结晶的目的。

由于PET材料在成型加工过程中都是在非等温下进行的。实验将PET熔融并且加入处理过的成核剂滑石粉，并对所改性的PET材料进行非等温动力学研究，通过建立Ozawa法和Jeziorny法进行描述。

（1）Ozawa法

通过实验配比一定浓度2%，3%，4%，5%，6%设置一系列的质量浓度梯度，利用Ozawa方程以lg[-ln(1-X(T))]对lg#216;作一条直线，得到的斜率是Ozawa指数m根据直线的截距可以算出速率常数K(T)值。通过计算得出5%是最佳配合比。实验数据如图6。

（2）Jeziorny法

同理设置同梯度的成核剂与PET利用Jeziorny法确定成核剂与PET复合体系ln[-ln(1-X(t))]对lnt的函数，并得到截距lntZ和斜率值。实验数据如图7。

图6 Ozawa法实验数据 图7 Jeziorny法实验数据

2.3.2 打印机机械结构技术方案

将塑料瓶用于3D打印主要有两种方案，一种是将塑料瓶熔融挤出成圆柱状，利用现有打印机直接打印；另一种是将塑料瓶处理成连续的扁平状材料直接用于打印。前者可能会引起材料变性且能耗较大，因此采用第二种方案。整体处理思路如图8。

图8 整体处理思路

基于以上方案，整机及各个模块利用SolidWorks进行三维建模。

2.3.3热力学及流体分析技术方案

本课题需要对喷头部分进行热力学及流体分析，利用ANSYS有限元软件可完成。有限元分析是通过模拟物件工作场合中的约束和载荷条件后，对设有材料属性的计算机模型进行分析运算，而得到与其结构相关的数据，这是一种通过对物理现象的模拟，而生成的一种对真实环境的再现。对于实体的三维模型进行分析，一般都可以细致划分为三个阶段：建立模型、求解模型以及后处理分析，其具体的流程图如图9所示。

图9 有限元仿真分析流程图

（1）建立模型

在建立所需要分析的模型时，首先需要考虑的是两个常规的通用原则：

① 目标：通过分析需要解决什么问题？需要得到什么结论？

② 简化建模：明确需要做什么之后，对于不重要或不需要分析的部分，进行简化设计，避免将资源用在了不需要的地方。

在此之外，接下来的思考步骤主要分布如下：

第一步是定义模型，用于确定模型分析的类型，然后根据工作情况对模型的边界条件进行设置；

第二步是输入数据，主要是针对分析部件的实际性质，定义模型的自身数值；

第三步是选择单元类型：根据模型所属的工作情况，分析模型所需要使用哪种单元类型，并确保能控制所选的单元类型对仿真结果的影响；

第四步即进行网格划分，网格划分的精密程度与质量决定了分析结果的准确性，但同时也会影响到计算机在进行计算时所用到的时间，所以在划分网格时需要均衡两者情况再确定如何划分；

第五步是接触设置，其用于在分析装配体时，对两个相邻的零件面之间进行接触条件的设置，以确保每个面之间的接触是正确的，同时保证整个装配体没有干涉情况产生。

（2）求解模型

在进行模型求解时，最首先的问题是确定计算过程中是否存在收敛问题。而在有限元分析过程中不收敛的产生原因主要有两点：

① 求解算法存在问题：这种情况下是属于，结果的不收敛不是由于数值计算的原因，而是通过所选的求解算法并没有找到模型的计算结果。在这种情况下就需要对所选用的求解算法进行更改。

在常规的有限元分析软件中，一般都是默认使用牛顿迭代来进行计算，当出现了计算结果不收敛时，可以采用的解决方案较多，列举五种如下：缩减算法中所用的时间步长；增大时间步长的允许缩减次数；增加一个线性搜索算法来缩放计算结果；改变迭代控制参数；对接触面光滑处理（解决锯齿现象）。

② 模型存在不稳定性：模型存在不稳定性原因有多种：如结构缺失承载能力（例如材料定义问题、热软化效应、几何非线性问题等）；局部不稳定导致畸形网格；模型承载能力不足等原因，一般情况下对症下药地进行改动均可以解决。同时需要注意的是如果采用设置人工阻尼的方法，可使不稳定模型稳定，但需确保施加后对计算结果不会造成一定影响。

（3）后处理分析

后处理分析即对求解模型结束后的数据进行处理，并确认和验证所计算的结果的正确性与准确性，由此得到图像、表格等结果。其主要可以分为：模型检验与结果数据处理。

① 模型检验：模型检验可以通过两个方式来解决：

第一个方式是确认（Validation）：确认是对建模过程以及模型设置进行检查的过程（包括材料特性、载荷施加、边界条件与约束），通常确认所要做的操作有：检查所有重要的求解变量、对部件进行切割检查内部结果、了解参数是矢量还是张量、再次检查边界条件、检查网格密度（包括接触面）、再次检查单元质量等。

第二个方式是验证（Verification）：验证一般是通过某个具有特点的预测结果来检查有限元模型，这个预测常指没有用于模型特殊作用以及校准的预测，并采用其他方法（一般是采用直接实验）来检测该预测。

② 结果数据处理：结果数据处理可以以查看数据文件或生成云图的方式来实现，一般对于应力应变以及变形等数据处理的方式均为生成云图，根据云图中颜色分布的不同，来了解模型中各个区域的情况，这对应了本文热力及流体分析。

3. 研究计划与安排

时间段	主要任务
1-2周	检索及阅读相关文献，废旧塑料瓶回收及3D打印机国内外研究现状，完成开题报告，并翻译相关英文资料一份
3-6周	明确现有3D打印机工作原理，完成PET材料改性及打印机机械结构设计
7-8周	对打印机喷头部分进行热力学分析，优化机械结构
10-12周	进行ANSYS流体分析，验证喷头部分流体可行性
13-14周 15周	整理相关设计参数，完成并提交毕业论文,制作答辩PPT 并完成毕业论文答辩

4. 参考文献（12篇以上）

[1]卢攀峰,阎修维,刘敏,米普科,刘胜平. pet改性研究进展及应用现状[j]. 中国塑料,2008,10:1-6.

[2]李小丽,马剑雄,李萍,陈琪,周伟民. 3d打印技术及应用趋势[j]. 自动化仪表,2014,01:1-5.

[3]丁鹏,刘枫,苏双双,唐圣福,施利毅. 纳米滑石粉增强废旧pet复合材料的制备和性能研究[j]. 功能材料,2014,06:6116-6121.