TWI840737B - 用於３ｄ列印之植物纖維料條的組成 - Google Patents

Abstract

一種用於3D列印之植物纖維料條的組成，其係將由植物纖維粉、澱粉、碳酸鈣、天然黏合劑、水溶性高分子膠、偶聯劑、纖維素，以及滑劑混合製成目數1000目以上的植物纖維原料粒，將原料粒利用一熱烘機降低原料粒所含的水分後，再經由混煉室將該原料粒混煉加熱擠出原料條，原料條向外擠出後係先利用降溫單元降溫，並利用乾燥器降低其所含的水分，之後再利用一測量器限定其線徑尺寸，最後再利用一捲料機將原料條收捲成捆，使其之後能作為3D列印機的原料條使用，減少塑膠製品對環境的傷害。

Description

用於3D列印之植物纖維料條的組成

本創作係隸屬一種3D列印機的原料條，特別係指以天然植物的纖維、澱粉等為原料製成的原料條。

按，3D列印在產品成的製造成型上能打破所有設計上的限制，亦無應用產業上的限制，可在不受限於製造方法或成本之下，基於機能性進行製品的設計，因此機近十年來發展蓬勃，不論是航太、醫療、汽車、玩具、文創及各種產品的研發，各個領域都有將3D列印使用於產品的打樣和製造。然而，就產品的打樣而言，一般的3D列印機都是使用塑膠材質的膠條，打樣出來的成品不論是否符合要求，樣品丟棄或燃燒時都會對環境造成不良的影響，因此如何能研發出3D列印機列印用的原料條，便成為申請人思及的方向。

本案申請人先前創作係申請案號108102795號，可生物分解之植物纖維原料的組成物及其製造方法發明專利(以下簡稱習用一)，該習用案係揭露一種植物纖維製成的原料粒，該原料粒的成分完全不需要水分，包含：植物纖維粉40~60%、澱粉20~30%、澱粉發酵的植物膠粉末10~20%、水溶 性高分子膠5~10%，以及纖維素蛋白質3~5%；將上述的配方經過加熱混煉成若干料條後，再利用一切削單元將該等料條切削呈顆粒狀製成原料粒。

其次，本案創作人為改良習用一，另有二專利案揭露了新的原料粒配方，其分別是申請案號110105195『植物纖維原料粒的組成及其應用之纖維瓶罐成型方法』，及申請案號110105196『纖維袋體之成型方法』專利案，該二件專利案揭露的纖維原料粒配方都是為：植物纖維粉41~59%、澱粉21~29%、天然黏合劑8~28%，該天然黏合劑由澱粉添加二羧酸及發酵用的菌種製成、水溶性高分子膠6~12%、改性劑3~5%，以及滑劑0.01~0.2%。上述配方製造的原料粒能利用專用機器製成纖維瓶罐或袋體，取代塑膠材質的容器產品。

隨著3D列印機的盛行，申請人將上述研發完成的纖維原料粒製成符合3D列印機使用的料條並試驗時，發現因為3D列印機打印模組加熱的溫度大約170度，其將纖維料條加熱的過程中會使纖維材料產生碳化的現象，不僅無法順利的將纖維材料融化堆疊產品，也會造成噴嘴的阻塞，而有針對原料粒的配方再進行改良之必要。

有鑑於此，本創作人乃針對前述習用創作問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本創作『用於3D列印之植物纖維料條的組成及其製造方法與其應用的3D列印機結構改良』，以改善習用創作之問題。

本發明之主要目的，係提供一種『用於3D列印之植物纖維料條的組成及其製造方法與其應用的3D列印機結構改良』，其係令3D列印機使用的原料條能以植物纖維原料製成，減少塑膠原料對環境的破壞。

本發明之另一目的，係令3D列印機將纖維料條加熱融化進行產品的堆疊成型時，纖維原料能順暢穩定將融化的原料擠出，避免材料堵塞的情形。

緣於達成上述之創作目的，本創作『用於3D列印之植物纖維料條的組成及其製造方法與其應用的3D列印機結構改良』，其係將植物纖維粉20~30%、澱粉15~20%、碳酸鈣20~30%、由由澱粉添加二羧酸及發酵用的菌種製成的天然黏合劑9~27%、水溶性高分子膠6~12%、偶聯劑3~5%、纖維素3~5%，以及滑劑0.01~0.2%等原料混合高速攪拌、加熱混煉製成原料粒後，能利用該原料粒製成3D列印機用的植物纖維原料條；其製程包含：A.取得纖維原料，該纖維原料係為粒狀結構，目數為1000目以上；B.纖維原料粒乾燥，將纖維原料粒置於一熱烘機中進行乾燥作業，以降低纖維原料粒所含的水分；C.混煉原料條，將纖維原料粒置於一擠料器的入料筒內，再經由混煉室將該纖維原料粒混煉加熱後，由一端之出料部將原料條擠出；D.原料條降溫，將擠出的原料條通過一降溫單元，使其溫度下降；D2.原料條乾燥，將降溫後的原料條通過一乾燥器，降低其所含的水分；E.線徑量測，將原料條通過一測量器，用以限定原料條的線徑尺寸；F.收捲原料條，利用一捲料機將原料條收捲成捆。藉此，能以植物纖維原料製成適用於3D列印機的纖維原料粒，令3D列印機成型的成品不含塑化成分，而能在丟棄掩埋時被自燃環境分解，或在燃燒時不會釋放不良物質造成空氣的污染。

有關本創作所採用之技術、手段及其功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明於后，相信本創作上述之目的、構造及特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解。

(10):3D列印機

(11):列印平台

(12):Z軸

(13):X軸

(14):打印模組

(15):噴頭

(20):原料條

(21):原料粒

(30):熱烘機

(40):擠料器

(41):入料筒

(42):混煉室

(43):出料部

(50):降溫單元

(60):乾燥器

(70):測量器

(80):捲料機

第1圖：係本發明原料條製造成型步驟示意圖。

第2圖：係本發明原料條應用於3D列印機之示意圖。

請參閱第1圖、第2圖所示，本發明『用於3D列印之植物纖維料條的組成及其製造方法與其應用的3D列印機結構改良』，其係以植物纖維作為主要配方製成3D列印機(10)使用的原料條(20)，其中：該3D列印機(10)係一列印平台(11)二側各豎立一Z軸(12)，並於該二Z軸(12)之間以滑動結構設一X軸(13)，該X軸上組設有一打印模組(14)，該打印模組(14)下方設有一噴頭(15)，且該噴頭(15)係由非金屬的礦石或陶瓷材質製成，且其出料口尺寸係大於0.4mm；又原料條(20)係捲繞成捆後設於該列印平台(11)外側，一端設於該打印模組(14)內，經過加熱後，可將原料條(20)融化進行成品的推疊。

該原料條(20)的製作程序，係先將植物纖維原料、助劑等配方混合製作成纖維原料粒後，再利用纖維原料粒製作成原料條(20)，其中纖維原料粒的製作方法如下：纖維原料粒的配方包含：植物纖維粉20~30%、澱粉15~20%、碳酸鈣20~30%、天然黏合劑9~27%，該天然黏合劑由澱粉添加二羧酸及發酵用的菌種製成、水溶性高分子膠6~12%、偶聯劑3~5%、纖維素3~5%，以及滑劑0.01~0.2%，其中：該植物纖維粉係以天然植物的莖幹、樹皮、葉子或果皮、等作為纖維原料，經過碎化、乾燥處理後，加工為含水率20%以下的粉末，其粒度大約100~200目左右。

該澱粉是植物體內貯藏的高分子碳水化合物，它可以分解成葡萄糖、麥芽糖等成分，係可來自銀杏、竹子、小麥、馬鈴薯、玉米、番薯、木 薯、蓮藕、米或藻類、豆類等植物的種子(如銀杏、板栗、花生、豌豆、綠豆、紅豆等)、果實(如野燕麥、薏苡等)、莖(如馬鈴薯、魔芋、南瓜等)、葉(如須蕊忍冬)、根(如甘薯、木薯等)。

該碳酸鈣俗稱灰石、石灰石、石粉，是一種化合物，其用途是增加植物纖維、澱粉的耐熱溫度，避免植物性原料因過高的溫度產生碳化。

該天然黏合劑係將該澱粉與菌種及二羧酸混合發酵後，澱粉分子結構會產生改性作用，將原本澱粉加熱糊化後不具有太大聚合黏性的狀態，改變澱粉分子使其易於接近聚合而大幅增進其聚合力，而能將澱粉和植物纖維粉作長久性的聚合。又其使用的澱粉係可來自小麥、馬鈴薯、玉米、番薯、木薯、蓮藕、米或藻類等植物的種子或果實或根、莖、葉。其添加的二羧酸是指含有兩個羧基官能團的有機化合物，可為乙二酸、戊二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸或十一烷二酸。而其及發酵用的菌種可為麴菌或酵母菌或乳酸菌或醋酸菌。上述成分混合發酵完成後，係再將其乾燥、研磨製成粉狀，利於日後的保存及使用。

該水溶性高分子膠係用於調合植物膠的黏度，可由天然植物原料提取而得，如淀粉類、纖維素或植物膠，也可為化學改性天然聚合物，如羧甲基淀粉、醋酸淀粉。或者也可為合成聚合物，有聚合類樹脂和縮合類樹脂兩類，如聚丙烯酰胺(PAM)、水解聚丙烯酰胺(HPAM))、聚乙烯吡囉烷酮(PVP)等都可適用。

該偶聯劑係一種多功能用途的偶聯劑，通過化學反應，作為有機物質和無機物質之間結合的架橋，並能增加該天然黏合劑聚合澱粉和植物纖維粉的強度、韌性與結合時黏性的多向性。

纖維素係由植物纖維經加工而純化的產品，其作用係強化產品的強度。

該滑劑可為一級醯胺、二級醯胺或乙撑二硬脂酸醯胺，用於增 加該等原料混煉及加工輸送時的潤滑度。

上述原料取得後，係將纖維粉置於一混煉機中10~30分鐘，以40~60℃，以及600~1200RPM高速旋轉混煉，使纖維粉軟化。之後再將澱粉及偶聯劑置於另一混煉機中10~20分鐘，以600~1200RPM高速旋轉混煉，以活化粉末顆粒的流動性。以及將天然黏合利用混煉機以100RPM以下的轉速旋轉混煉10~40分鐘，使其達到黏稠狀態。再將上述的纖維粉、澱粉與天然黏合劑與水溶性高分子膠及滑劑混合攪拌10~40分鐘，溫度設定為40~80℃，混煉成綜合原料。再將綜合原料置於成型裝置內，由一端往另端輸送攪拌並同時加熱，令其通過該擠料盤後，向外擠壓成型若干呈長條狀的料條。料條向外擠出成型後先將其冷卻，再利用切削單元將該等料條切削呈顆粒狀的原料粒(21)。

其次，該原料條(20)的製程包含：

A.取得纖維原料，該纖維原料係如上述的配方及製程製作成粒狀結構，亦即目數為1000目以上的植物纖維原料粒(21)。

B.原料粒乾燥，將原料粒(21)置於一熱烘機(30)中進行乾燥作業，用以將原料粒(10)所含的水分降低至千分之2以下。

C.混煉原料條(20)，將纖維原料粒(21)置於一擠料器(40)的入料筒(41)內，再經由其混煉室(42)將該原料粒(21)混煉加熱後，由一端之出料部(43)將原料條(20)向外擠出。

D.原料條(20)降溫，將擠出的原料條(20)通過一降溫單元(50)，使其溫度下降，該降溫單元(50)可為水槽，令原料條(20)通過冷水或冰水將其降溫。

D2.原料條(20)乾燥，將降溫後的原料條(20)通過一乾燥器(60)，利用熱風降低該原料條(20)表面的水分。

E.線徑量測，將原料條(20)通過一測量器(70)，用以 限定該原料條(20)的線徑尺寸，該測量器(70)為已知機器，其組成結構不再贅述。

F.收捲原料條(20)，該原料條(20)通過線徑尺寸的限定後，再利用一捲料機(80)將原料條(20)收捲成捆，該捲料機(80)為已知機器，其組成結構不再贅述。原料條(20)收捲成捆後，即能設置於3D列印機(10)的列印平台(11)外側，作為3D列印機(10)成型產品的原料。

據此，本發明將先前原料粒的配方比例作調整並加入碳酸鈣後，即可製作出能符合3D列印機(10)使用的原料條(20)，減少塑膠原料對環境的破壞。又，本發明針對3D列印機(10)使用纖維材質的原料條(20)，特別將打印模組(14)的噴頭(15)以礦石或陶瓷材質製成，利用礦石或陶瓷光滑細緻的表面，增進融化後的纖維材質的順暢流動，避免材料的堵塞。

綜上所述，本創作在同類產品中實有其極佳之進步實用性，同時遍查國內外關於此類結構之技術資料、文獻中亦未發現有相同的構造存在在先，是以本創作實已具備新型專利要件，爰依法提出申請。

上述實施例，僅用以舉例說明本創作，據以在不離本創作精神之範圍，熟習此項技藝者憑之而作之各種變形、修飾與應用，均應包括於本創作之範疇者。

(20):原料條

(21):原料粒

(30):熱烘機

(40):擠料器

(41):入料筒

(42):混煉室

(43):出料部

(50):降溫單元

(60):乾燥器

(70):測量器

(80):捲料機

Claims (5)

1. 一種用於3D列印之植物纖維料條的組成，其配方包含：植物纖維粉20~30%、澱粉15~20%、碳酸鈣20~30%、天然黏合劑9~27%，15，該天然黏合劑由澱粉添加二羧酸及發酵用的菌種製成、水溶性高分子膠6~12%、偶聯劑3~5%、纖維素3~5%，以及滑劑0.01~0.2%。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之用於3D列印之植物纖維料條的組成，其中該植物纖維粉係可以天然植物的莖幹、樹皮、葉子或果皮作為纖維原料，經過碎化、乾燥處理後，加工為含水率20%以下的粉末，而該澱粉係可來自竹子、小麥、馬鈴薯、玉米、番薯、木薯、蓮藕、米或藻類植物。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之用於3D列印之植物纖維料條的組成，其中該天然黏合劑可經乾燥後製成粉末，而其菌種可為麴菌或酵母菌或乳酸菌或醋酸菌。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之用於3D列印之植物纖維料條的組成，其中該水溶性高分子膠可為化學改性天然聚合物，該化學改性天然聚合物可為羧甲基澱粉或醋酸澱粉。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之用於3D列印之植物纖維料條的組成，其中該該滑劑可為一級醯胺、二級醯胺或乙撑二硬脂酸醯胺。