РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТИКОВЫХ БУТЫЛОК В ФИЛАМЕНТ ДЛЯ ПЕЧАТИ НА 3D-ПРИНТЕРЕ

DEVELOPMENT OF A DEVICE FOR PROCESSING PLASTIC BOTTLES INTO FILAMENT FOR 3D PRINTING

Sitnikov Artem Valerievich

Student, Department of Electronic Engineering, Tomsk Polytechnic University,

Russia, Tomsk

Koleda Alexey Nikolaevich

Scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electronic Engineering, Engineering School of Non-destructive Testing and Safety,

Tomsk Polytechnic University,

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается конструкция и электронная система управления устройством для переработки полиэтилентерефталатных (ПЭТ) бутылок в филамент диаметром 1,75 мм для FDM-3D-принтеров. Описаны шредерный модуль, экструдер, система калибровки диаметра на основе лазерного микрометра и микроконтроллера, а также результаты экспериментальной проверки.

ABSTRACT

The article describes the design and electronic control system of a device for processing polyethylene terephthalate (PET) bottles into filament of 1.75 mm diameter for FDM 3D printers. The shredder module, extruder, diameter calibration system based on a laser micrometer and a microcontroller, as well as experimental test results are presented.

Ключевые слова: переработка пластика, ПЭТ-бутылки, филамент, 3D-печать, экструдер, система управления, микроконтроллер.

Keywords: plastic recycling, PET bottles, filament, 3D printing, extruder, control system, microcontroller.

Введение

Распространение 3D-печати привело к увеличению спроса на пластиковые нити (филаменты), стоимость которых остаётся относительно высокой. Параллельно существует проблема утилизации ПЭТ-бутылок — один из самых массовых видов твёрдых бытовых отходов. Решением является создание компактного электромеханического устройства, позволяющего перерабатывать использованные бутылки непосредственно в филамент. Такой подход снижает затраты на расходные материалы и способствует развитию циркулярной экономики [1, с. 45].

Цель работы — разработка и экспериментальное подтверждение работоспособности установки с автоматической стабилизацией диаметра филамента на основе микроконтроллерного управления.

1. Структурная схема и конструкция устройства

Устройство (рис. 1) состоит из трех основных модулей: червячного экструдера с зоной нагрева, системы калибровки с обратной связью, намоточный механизм.

Рисунок 1. Структурная схема устройства

ПЭТ-бутылка предварительно нарезается на полосы шириной 8 мм. Полосы поступают в нагревательный элемент, предварительно нагретый до 260 °C [2, с. 112]. Расплав выдавливается через фильеру диаметром 1,75 мм.

2. Электронная система управления

При помощи органов управления будет задаваться нужная температура и скорость работы устройства. Микроконтроллер будет считывать данные с датчиков и отображать информацию на дисплее. Также микроконтроллер будет управлять шаговыми двигателями через драйвер. На вход нагревательного элемента будет подаваться пластиковый материал (пластиковая лента) и после его прохождения на выходе будет получаться пластик диаметром 3мм, подходящий для печати на 3D-принтере. Данный пластик будет наматываться на катушку при помощи движений шаговых двигателей (вращения катушки будет пропускать пластиковый материал через нагревательный элемент).

3. Технические характеристики и экспериментальные результаты

В таблице 1 приведены параметры опытного образца.

Таблица 1.

Технические характеристики устройства

Для оценки стабильности диаметра изготовленной нити провели серию испытаний. Переработали 60 прозрачных ПЭТ-бутылок. Каждые 10 секунд измеряли диаметр получаемой нити. Среднее значение составило 1,753 мм, а максимальное отклонение — ±0,043 мм, что находится в пределах допустимых значений для большинства 3D-принтеров.

Из полученного филамента напечатали тестовые модели: куб размером 20×20×20 мм и шестерню. Качество печати оценивали визуально и под микроскопом. Все образцы показали хорошее сцепление слоёв, отсутствие дефектов и пузырей.

Экономический расчёт показал, что себестоимость 1 кг самодельного филамента составляет около 0,6 руб. (в основном за счёт электроэнергии), тогда как розничная цена покупного ПЭТ-филамента — 20 руб./кг. Затраты на комплектующие устройства для переработки — примерно 13 000 руб. Окупаемость достигается после переработки около 130 бутылок.

4. Формула для расчёта производительности

Производительность устройства по массе (Q, г/ч) определяется скоростью подачи и частотой вращения шнека:

где D — диаметр шнека (0,025 м); h — глубина нарезки (0,003 м); n — частота вращения шнека (об/с); ρ — плотность расплава (≈1400 кг/м³); k — коэффициент заполнения (0,4). При n=1 об/с расчётная производительность составляет около 350 г/ч, что совпадает с экспериментальными данными.

Заключение

Разработано и испытано устройство для переработки ПЭТ-бутылок в филамент с автоматической стабилизацией диаметра на основе микроконтроллера STM32 и лазерного микрометра. Устройство обеспечивает качество нити, пригодное для FDM-печати, и существенно снижает стоимость расходного материала. Дальнейшие направления работы: внедрение режима предварительной сушки ПЭТ, автоматическая очистка бутылок, а также адаптация под переработку PET-G и других полимеров [3, с. 208].

Список литературы:

1. Милькевич Е.А. Рециклинг полимерных отходов: технологии и оборудование. – СПб.: Наука, 2021. – 312 с.
2. Волков А.В. Термическая переработка ПЭТ-пластика в экструдерах // Пластические массы. – 2022. – № 3. – С. 110–115.
3. Руководство по 3D-печати из вторичных материалов / под ред. Д. Харриса. – М.: Техносфера, 2023. – 256 с.