撬开百亿市场-超大型PE管接头非注塑成型3D打印技术的探索

作者简介：
查鸿达，江苏武进人，1949年生，毕业于江苏大学，目前担任深圳市精森源模具集团首席技术顾问，江苏省模具协会专家，以色列Cimation公司特聘专家，常州机电学院模具系客座教授，模具门户网站开思网技术顾问。著有《老查做模一千零一招》（机械工业出版社）。获得50余项有关模具、注塑方面的国家专利。


1981年从江苏大学毕业后，开始从事给排水行业的塑料管接头注塑模具的研发和制造。曾经是中国第一家专业塑料管接头模具厂的厂长（武进管件模具厂）。随着全球水处理和供水工程的发展，传统的HDPE管接头迎来了市场需求的巨大挑战。常规的400mm以下的HDPE管接头的注塑成型工艺已经远远跟不上市场的需求了。但是由于全球环境治理的需要，目前对于630mm以上的HDPE管接头有很大的需求，由于受到注塑成型条件的限制，630mm以上管接头的生产有较大的困难，而且由于系列产品的品种规格繁多，成批生产时需要很多套模具和大型注塑机，需要大量资金的投入，据资料统计，生产630mm以下全套HDPE管接头，需要模具和注塑机投入资金1.8亿元人民币以上。目前国内有条件生产630mm以下管接头的企业仅为3家。能做到800mm系列的仅为一家（中国江苏江阴大金公司）。最大产品（800正三通）的重量为94千克。这对于全球水处理系统工程的需求，是远远不够的。譬如直径1200mm的正三通的重量是530千克，按计算需要18万吨的注塑机才勉强可以注塑成型，这显然是不可能的，因为目前地球上最大的注塑机是6800吨。所以目前只能用焊接的塑料管接头来替代，但是这隐藏着巨大的安全隐患，一旦泄漏，后果不堪设想。



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我有一个想法，不用注塑工艺、不用注塑模具来制造超大型HDPE管接头。这个想法已经在我心里酝酿了多年，未有机会和条件进行研发。在深圳精森源模具集团和常州鸿图塑业的大力支持下，我从2014年开始研发，进行了实实在在的试验，目前已经取得了基本的成功，在这里和各位同行分享。希望能够抛砖引玉。

我的基本思路是，先用HDPE塑料进行3D打印成型，然后用增压的方法，改变HDPE的高分子排列，增加3D打印成型的HDPE管接头的密度，使其达到国家标准的HDPE管接头的各项物理指标。

我以前对塑料3D打印有一些浅薄的了解，准确的说法是熔融层积技术，就是利用3D打印机，按我们需要的零件形状的3D数字模型转换成的程序，将熔融的塑料一层一层地刷涂在3D打印机的台面（热床）上，塑料凝固后便得到了我们需要的塑料零件。我们常用的塑料是ABS和PLA，这些材料要被加工成规定直径的线材，3D打印机就可以进行工作。这已经是一项非常普及的技术，一般的中学生都可以做到。

但是当我们真正的深入到具体的3D打印时，却出现了我们意想不到的情况。首先是市场上根本买不到HDPE的线材，我们搜遍了整个国内外网络，都没有找到HDPE线材。我们询问了制作专供3D打印用的塑料线材的厂家，为什么不生产HDPE线材，得到的回答使我非常吃惊，说是HDPE塑料根本不可能进行3D打印，原因很简单，HDPE塑料的收缩率太大了。

我们咨询了网络上可以找到的所有国内外的3D打印公司，向他们请教，包括最著名的Stratasys公司，得到的答复都是一样的，HDPE的收缩率太大，不可能进行3D打印。这样的结果，对于我当初这个设想，岂不是直接画上了句号，后面的增加密度的计划更不用谈了。我经过冷静的分析后认为，HDPE塑料不能进行3D打印的真正的原因，是因为在3D打印领域内，HDPE塑料制品没有市场的需求，没有人会花深入的功夫去研究去尝试。

但是对于绕开用注塑成型工艺来制造超大型HDPE管接头，按我的设想，假如能够成功，这是最直接，最经济实惠，最有效的方法。我说服了做塑料线材的公司，帮我加工了HDPE塑料的线材。经过整个团队的不懈努力，最后终于成功地完成了HDPE塑料3D打印的任务。我在这里简单地向大家介绍一下我们研发HDPE塑料3D打印的情况，和大家一起分享我们的成功经验。

HDPE塑料3D打印的第一个关键问题是“着床”的问题，塑料3D打印机的工作台面称为“热床”（Heat bed),进行3D打印时，3D打印机的喷头将熔融的HDPE塑料挤出来，在挤出的过程中喷头会按我们所需的零件的数字模型生成的程序运动，将熔融的HDPE塑料涂刷在3D打印机的被加热到规定温度的热床上，被挤出的熔融的塑料的厚度是可以设定的，问题是在喷头涂刷满了第一层后，要开始刷第二层时，凝固的第一层HDPE塑料便会收缩，收缩的程度很大，在2%以上，这时，第一层塑料就会卷起来。本来第二层塑料是要刷图在凝固的第一层塑料上的，由于第一层塑料卷起来了，第二层塑料就没有了着落的地方，3D打印工作就不能继续进行下去了。可以肯定，其他的3D打印公司告诉我HDPE塑料不可以进行3D打印的结果，一定是遇到了我上面描述的情况。

我们仔细研究了3D打印机的热床，（台面），它是一块磨砂的玻璃，3D打印工作开始前被加热到规定的温度。假如是收缩率很小的塑料，譬如ABS,自然会粘附在上面 。可是HDPE塑料的收缩率大，加热后的磨砂玻璃和熔融的HDPE塑料之间的粘附力，远远没有被喷头挤出的第一层HDPE塑料凝固后由于收缩产生的力大。所以凝固后的HDPE塑料不会粘附在磨砂玻璃上，会自然地卷起来。后来我们将磨砂玻璃换成钢板，在钢板上钻了密密麻麻的的孔，而且这些孔都是有倒扣的，在3D打印机的喷头挤出的熔融的HDPE塑料刷涂在台面上时，有一部分熔融的HDPE塑料就被挤到了小孔里，由于小孔是倒扣的，小孔中凝固后的塑料便会紧紧地扒在台面上。很多小孔中的凝固的塑料合成了巨大的力，3D打印机的喷头涂刷的第一层塑料就不会卷起来，3D打印机的工作就可以继续进行下去了。但是当3D打印出来的HDPE塑料到达一定的厚度后，客观存在的收缩率产生的巨大的拉力，会将用钢板做的台面拉弯，非常夸张的拉弯。我用5mm的合金钢做的台面也是被轻易地拉弯了。多次改进试验后，结果都是一样，研发工作走进了死胡洞。

HDPE塑料3D打印的第二个关键是解决由于收缩引起的台面拉弯的问题。一个偶然的机会，看到电视剧里一个武功高手（鳌拜）被很多铁链拉住，有虽然有神力，但也发不出来，我从中得到了启发，我们是不是可以让成型的HDPE塑料由于收缩产生的力化解掉，使这个力不直接施加在用钢板做成的台面上。

我在设计HDPE塑料三通的3D数字模型时，在产品的下面增加了很多细长的柱子，有点像南沙群岛的“高脚屋”，在这些细长的柱子的上面再进行产品的3D打印，这时候凝固的3D打印过程中的产品产生的拉力会施加在那些细长的柱子上，由于细长的柱子有一定的弹性，所以产品在3D打印时产生的巨大的力就被分解掉了，不直接施加在用钢板做的台面上，钢板的台面就不会弯曲，3D打印机就可以顺利地进行工作，直到整个零件完成3D打印。这样，我计划的第一步就完成了。3D打印出来的产品（三通）的密度是达不到HDPE管接头国家标准规定的物理要求的，必须对3D打印出来的三通进行加压处理，以达到增加密度的目的。具体方法见下图。

对上图的活塞施加压力，通过高温弹性体的传递，就可以对3D打印出来的三通的内壁施加压力，就可以有效地增加PHDPE塑料的密度。得到我们需要的，合乎使用需求的PHDPE管接头。下图是在我的办公室里做出来的试验品。

由于牵涉到一些企业的利益，有些技术细节就不在这里详细说明了。上图是在我的实验室里做出来的试验品，对于整个计划来说，跨出了第一步，我们下一步的计划是加快3D打印的效率，直接用HDPE塑料原料来进行3D打印。用我们研发的方法，超大型的HDPE管接头的制造,就变得非常简单，就可以绕开庞大的投资，永远也不会受到注塑机和模具的限制，也不受HDPE管接头形状的限制，可以根据水处理工程的使用要求，很任性地设计成各种合理的形状。
今天就讲到这里，谢谢大家。



查鸿达
2015年8月13日于深圳
以上技术已报多项专利，欢迎同行来探讨。我的联系
电话：13651471151
QQ：1500657974  

超大型PE管接头有数百亿的市场要求，希望我们一起来撬开这个市场，欢迎同行联系咨询！

顶贴，査老师再见。。。