Экструдер для отходов пластика

Эта страница была разработана Группой прикладных исследований устойчивого развития Королевского университета .

Меню

Recyclebot

Скачать все в формате PDF

Публикация

RepRapable Recyclebot: экструдер с открытым исходным кодом для 3D-печати для преобразования пластика в нить для 3D-печати

Версии

• 2.0 и 2.1
• 2.2
• 2.3
• 3.0
• 4.0ак
• 4.0 постоянного тока
• 4.1
• 5.0 (не функциональна)
• RepRapable Recyclebot
• RepRapable Recyclebot 6.1

Примечание. Технология на этой странице устарела. Актуальную информацию см. в Recyclebot версии 2.3 .

Ниже приведен модифицированный тезис, представленный для презентации Mech 461. Этот проект представляет собой Recyclebot v2.

Быстрые прототипы позволяют быстро и точно изготавливать изделия или масштабные модели и являются полезным инструментом производства и проектирования. Недавно была разработана модель с открытым исходным кодом RepRap, которую можно построить менее чем за 1000 долларов, что значительно расширяет потенциальную базу пользователей быстрых прототипов. Его вполне можно использовать в качестве инструмента мелкомасштабного производства или устойчивого развития. Пластиковое сырье для RepRap — это одна из областей, где затраты еще можно снизить. Компания Web4Deb создала устройство, которое превращает пластиковые отходы в питательную среду для растений. Его устройство было модифицировано для создания сырья для принтера RepRap. Представлено описание и анализ конструкции, включая свойства компонентов, процедуры испытаний и результаты экструзии. Успех этого устройства еще больше повысит доступность RepRap за счет снижения эксплуатационных расходов. Производство нитей также может стать альтернативным источником дохода. Кроме того, это позволяет перерабатывать пластик в домашних условиях с полезным побочным продуктом. Это имеет последствия в области управления отходами, поскольку переработка отходов в домашних условиях может избежать выбросов парниковых газов и экономических затрат, связанных с муниципальными программами переработки, минуя сбор и транспортировку отходов.

Резюме проекта

В рамках курса «Механическая инженерия 461» Королевского университета я буду работать над устройством для преобразования бытовых пластиковых отходов в пригодный к использованию материал для подачи в небольшие машины для быстрого прототипирования, такие как машины RepRap , RapMan и Fab@home . Ниже приводится официальное описание этого проекта, рекламируемое на веб-сайте Mech 461.<ref>Пирс, Дж. Описание проекта: Проектирование и тестирование экструдера для отходов пластика для быстрого прототипа с открытым исходным кодом . Мех 461. [1] <ref>=== Введение ===

Традиционно 3D-печать использовалась для быстрого прототипирования, где хорошие допуски, долговечность и быстрое время печати доминируют над требованиями пользователя. По этой причине коммерческие машины для быстрого прототипирования используются во многих отраслях промышленности для изготовления нестандартных деталей для продуктов на стадии проектирования и могут выполнять такие операции, как печать рабочего шарикоподшипника с использованием выступов и двух методов осаждения материала. В последнее время разработка средств быстрого прототипирования с открытым исходным кодом, таких как RepRap, сделала быстрое прототипирование достаточно недорогим, чтобы быть доступным для домашних пользователей и потенциально полезным для соответствующих технологий с открытым исходным кодом (OSAT). Коммерческие принтеры превосходно справляются с быстрым изготовлением изображений сложных деталей с высокими допусками; однако они намного дороже (5000–200 000 долларов), чем RepRap за ~ 1000 долларов. Кроме того, поскольку запатентованные машины для быстрого прототипирования обычно используют запатентованное сырье, они также чрезвычайно дороги (от 1 доллара США за дюйм3 до 4 долларов США за дюйм3), в то время как АБС-пластик, часто используемый для RepRap (www.reprap.org), значительно дешевле — 0,032 доллара США за дюйм3. . Цель этого проекта — еще больше продвинуть быстрые прототипы с открытым исходным кодом — использовать в качестве сырья отходы пластика, а не предварительно сформированную нить ABS.

Научное и инженерное образование

Недавно было предложено использовать 3D-принтеры с открытым исходным кодом для обеспечения устойчивого развития<ref>J. М. Пирс, К. Моррис Блэр, К. Дж. Ласиак, Р. Эндрюс, А. Носрат и И. Зеленика-Зовко, «3D-печать подходящих технологий с открытым исходным кодом для самостоятельного устойчивого развития», Журнал устойчивого развития 3 (4 ), стр. 17-29 (2010). | http://www.ccsenet.org/journal/index.php/jsd/article/view/6984 <ref>. Для того, чтобы это стало реалистичным, крайне важно, чтобы сырье разрабатывалось из местных материалов, чтобы предотвратить эрозию ценовых преимуществ местного производства. Использование местных материалов для изготовления OSAT не только гарантирует, что рассматриваемое сообщество будет меньше зависеть от иностранной помощи, если возникнут проблемы с технологией, но также создает ощущение расширения прав и возможностей, поскольку технология не раздается в форме благотворительной помощи. зависимость от иностранной помощи. Этого можно достичь за счет использования сырья, полученного из отходов (например, пластиковых пакетов или бутылок), или за счет использования доступных местных материалов, таких как биополимеры. Огромное изобилие пластика в бытовых отходах (включая сумки, бутылки, упаковку для продуктов питания и развлечений) является реальностью в большинстве несельских сообществ, но эти отходы можно использовать повторно. Этот процесс можно использовать для создания пластиковой нити для использования в RepRap. Таким образом, необходим экструдер для пластика, который мог бы нагревать пластик и экструдировать его в виде нити, которую можно использовать в 3D-принтере. Следует отметить, что производство сырья для нитей является сложной задачей, поскольку диаметр должен быть точным, а нить должна быть очень круглой (не овальной), иначе экструдер будет производить детали низкого качества или застревать, что часто встречается, когда владельцы RapMan покупают запасную нить. локально. Экструдер с бункером, возможно, не так сильно зависит от размерных свойств материала, а также надежные достижения в использовании исходного сырья для гранул в сочетании с гранулятором - еще один вариант, который можно изучить.

Цель исследования

Цель этого исследовательского проекта — спроектировать, построить и протестировать экструдер для RepRap, который может использовать полимерные отходы в качестве сырья.

Литературный обзор

Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы получить доступ к полной версии Экструдера для отходов пластика: обзор литературы . В обзоре рассматривается широкий спектр литературы по темам, среди прочего, технологии быстрого прототипирования с открытым исходным кодом, обработки и переработки пластиковых отходов, свойств материалов и технологии экструзии.

Дизайн

Описание конструкции, включая подробную инструкцию по сборке, можно найти ниже.

Экструдер

На конструкцию экструдера для переработки пластиковых отходов во многом повлиял экструдер, разработанный «Web4Deb» (имя пользователя в Интернете), который экструдирует полиэтилен высокой плотности для использования в качестве питательной среды в аквапонике. Подробности этой конструкции можно найти в блоге Web4Deb и на вики-странице устройства RepRap . Было решено, что эта конструкция будет использоваться в качестве основы и модифицирована для производства нити толщиной 3 мм для использования с 3D-принтерами RepRap или RapMan.

Конструкция имеет следующие особенности. Дополнительную информацию см. в разделе «Инструкции по сборке» .

• Труба 3/4 дюйма (внутренний диаметр) для цилиндра экструдера.
• разделен на 3 отдельные секции, которые можно собрать вместе (редуктор, бункер и нагрев).
• Корабельный шнек диаметром 3/4–17 дюймов, вставленный в бочку.
• бункер приварен к секции бункера. Сюда вставлен измельченный пластик.
• шнек вращается с помощью двигателя стеклоочистителя (бывшая в употреблении модель Dodge Neon 1994 года выпуска)
• цепной и звездчатый привод, передаточное число 2:1 (снижает скорость, увеличивает крутящий момент).
• Узел упорного подшипника/шайбы для ограничения движения в осевом направлении и противодействия силе, приложенной к шнеку при транспортировке пластика.
• секция нагрева (описана ниже) и матрица с отверстием 3 мм.

Секция отопления

• нихромовая проволока 14 калибра, намотанная на ствол. Крепится термостойкой каптоновой лентой.
• печной цемент наносится на ствол секции нагрева для предотвращения короткого замыкания. (избегается при использовании изолированного нихрома).
• достиг температуры 225 ^o C при использовании блока питания ноутбука 15 В, 5 А.
• Каптоновая лента может предотвратить короткое замыкание в стволе, но ограничивается применением при температуре ниже 250 ^o C. Такая высокая температура необходима, если экструдируется АБС или ПЭТ.
• Температура внутри нагревательного ствола имела тенденцию отставать примерно на 30 ^o C.

Провод четырнадцатого калибра был выбран с целью создания зоны нагрева с минимальными требованиями к мощности. На момент написания статьи температура нихромовой проволоки 225 ^o C была достигнута при мощности 75 Вт (15 В, 5 А). Температуру можно регулировать, изменяя силу тока, проходящего через нихромовую проволоку. Увеличение тока увеличивает температуру провода. В настоящее время секция имеет только одну равномерную зону нагрева, однако были предусмотрены две зоны нагрева, если будет сочтено целесообразным более плавный нагрев пластика. Во многих коммерческих процессах используется постепенный нагрев для обеспечения равномерного нагрева материала.<ref>Rosato, Dominick (1997). Справочник данных по переработке пластмасс (2-е издание). Springer - Verlag. (Онлайн)<ref> На этом веб-сайте приведены характеристики сопротивления каждого сечения провода и ток, необходимый для нагрева каждого сечения до различных температурных порогов.<ref> http://www.wiretron.com/design.html <ref> Данные с этого сайта были использованы для первоначальных проектных расчетов.

В настоящее время секция нагрева не изолирована, однако добавление изоляции, вероятно, улучшит производительность. Время нагрева при первом запуске машины можно сократить, а в цилиндре экструдера можно достичь более высоких температур. В качестве изоляции можно использовать обертки из стекловолокна/кевлара, а также бытовой ватин из стекловолокна.

Списки запчастей

В конструкцию включены еще несколько модификаций и нестандартных деталей. К двигателю стеклоочистителя был добавлен удлинитель вала, чтобы увеличить диаметр вала и обеспечить достаточно места для установки звездочки. Был создан воротник, который устанавливается между валом и секцией зубчатой ​​передачи, удерживает шнек на месте и позволяет установить упорный подшипник. Каждая из этих нестандартных деталей представлена ​​на рисунках ниже.

Экструдер был изготовлен из специально разработанных и стандартных материалов. Стандартные материалы приведены в списке ниже вместе со ссылками на их поставщиков.

Материалы запаса:

Все указанные номера деталей использовались в прототипах экструдеров. Возможна замена на другие марки и детали. Многие из этих деталей могут быть использованы или стать металлоломом. Многие детали я нашел бесплатно, например, фанеру и деревянные доски, крепеж и несколько зажимов типа «крокодил». Детали, выделенные курсивом, представляют собой материалы, которые потребуются для изготовления корпуса экструдера. В моем случае эти материалы были включены в затраты на обработку в машиностроительном цехе машиностроения и материаловедения Королевского университета. Дальнейшее изготовление необходимо для подготовки деталей к сборке в экструдере. Требуемые инструменты должны уметь резать металл (например, шлифовальный станок, пилы, кислородно-ацетиленовая горелка и т. д.) и выполнять простую сварку. В моем случае эти детали были изготовлены на заказ, как описано ниже.

Пользовательские детали

Детали по индивидуальному заказу были изготовлены в механическом цехе факультета механики и материалов Королевского университета. Особая благодарность г-ну Энди Брайсону и его команде за помощь в изготовлении. Большая часть деталей изготовлена ​​с использованием сварочного, режущего и сверлильного оборудования. В некоторых случаях для изготовления также требовался токарный станок. Файлы STL для каждой из нестандартных деталей можно найти ниже, а также производственные чертежи отдельных компонентов. В файлах показаны размеры, используемые для этого конкретного экструдера, и они были выбраны на основе предыдущего экструдера Web4Deb и для соответствия другим компонентам (например, шнеку). Оптимизация размеров экструдера не исследовалась.

Файлы изображений деталей

Экструдер для отходов пластика: файлы

Руководство по сборке

Ниже представлена ​​инструкция по полной сборке конструкции экструдера, прототипированной для курса Mech 461:

Основной корпус в сборе

Основной корпус состоит из:

• нагрев, бункер и секция редуктора
• 6 фланцев
• умереть
• опорная пластина подшипника
• воротник
• упорный подшипник и шайбы
• шнек
• большая звездочка

Детали, выделенные курсивом, являются пользовательскими деталями. Строительные чертежи можно найти в разделе файлов деталей . Большинство этих деталей можно изготовить с помощью инструментов для резки и сверления металла. Их размеры аналогичны размерам прототипа экструдера Mech 461, но могут быть изменены в соответствии с индивидуальным дизайном.

После того, как каждая часть построена. Была соблюдена следующая процедура:

1. К каждому концу нагревательной, бункерной и зубчатой ​​секций был приварен фланец. Это позволяет соединить отдельные секции вместе. Размещение их в отдельных секциях позволяет работать над каждой секцией отдельно от остальной части тела. В частности, полезно иметь отдельную зону нагрева, с которой можно работать отдельно и которая будет изолирована от остальной части экструдера. Примечание. Возможно изготовление экструдера с одним корпусом.
2. Из части 1: У вас должен быть узел шестерни, бункера и секции нагрева, состоящий из соответствующих труб и двух фланцев каждый.
3. Бункер был приварен к открытому участку трубы в зоне бункера.
4. Вырезали квадрат из фанеры, размером примерно с полку. Его поместили между бункером и секциями нагрева, чтобы уменьшить теплообмен между зоной нагрева и зоной бункера. Секция бункера, секция нагрева и фанера соединялись крепежными элементами через фланцевые отверстия.
5. Матрицу можно прикрепить к другому концу секции нагрева тем же методом.
6. Шнек вставлен в цилиндр экструдера.
7. На хвостовик шнека надевался нестандартный воротник сверху. Воротник ограничен увеличивающимся диаметром шнека от хвостовика к лопасти. Меньший внешний диаметр воротника расположен ближе всего к лопасти шнека. Он помещается внутри цилиндра экструдера. Больший внешний диаметр ограничивает перемещение шнека в осевом направлении к зоне нагрева, поскольку он слишком велик, чтобы поместиться в цилиндре экструдера.
8. Далее на шнек установили игольчатый упорный подшипник и шайбы (шайба, шайба подшипника).
9. Подшипниковый узел был закреплен «опорной пластиной подшипника». Он был соединен с помощью крепежа к фланцу на секции зубчатой ​​передачи. Упорный подшипник компенсирует осевую силу, действующую на шнек, когда он толкает пластик.
10. На шнеке была обработана плоская поверхность, обеспечивающая лучшее соединение с установочным винтом звездочки. Во время испытаний выяснилось, что это необходимо, поскольку звездочка будет скользить по хвостовику до того, как будет создана лыска.
11. Большую звездочку поместили на хвостовик, а установочный винт затянули на участке с лыской.

На этом сборка основного корпуса экструдера завершена.

Секция отопления

В состав нагревательной секции входят следующие компоненты:

• узел секции нагрева (см . узел основного корпуса )
• нихромовая проволока (изолированная или неизолированная)
• Каптоновая лента
• медный провод
• адаптеры для зажимов типа «крокодил»

При использовании неизолированного нихрома :

• печной цемент

Конструкция зоны нагрева представляет собой довольно простой, но важный узел экструдера для переработки пластиковых отходов. Процедура немного отличается при использовании изолированной или неизолированной нихромовой проволоки. Если вы используете изолированный провод , пропустите шаг 1 ниже.

1. Покройте корпус нагревательной секции (трубопроводы) тонким слоем термостойкого цемента. Я использовал Бомикс Пиромикс. Проверьте список компонентов на наличие ссылки на продукт. Сделайте слой как можно тоньше, но следите за тем, чтобы не было голого металла.
2. Оберните нихромовую проволоку вокруг ствола от одного конца до другого. Одной секции, охватывающей весь ствол, должно быть достаточно, но две отдельные зоны нагрева могут иметь преимущества (более постепенный и равномерный нагрев; меньшее напряжение на любом проводе). Я эффективно использовал одну зону. Если вы используете неизолированный провод, убедитесь, что катушки не соприкасаются, иначе произойдет короткое замыкание.
3. Закрепите провод каптоновой лентой. Каптоновая лента рассчитана на температуру 250 ^o C. Если температура будет выше этой (требуется для экструзии АБС-пластика и ПЭТ), возможно, вы захотите загерметизировать устройство еще одним слоем печного цемента.
4. Прикрепите медный провод к зажимам типа «крокодил» и используйте их в качестве проводов для подключения к источнику питания.
5. Тестируйте и модифицируйте по мере необходимости.

Я использовал старый адаптер питания от ноутбука (15В 5А) и добился температуры 225оС. ^{Максимальную} температуру можно регулировать изменением тока по проводу. Это можно сделать, добавив сопротивление или изменив источник питания. Будущая работа ведется над разработкой системы микроконтроллера для мониторинга и контроля температуры. Ранее это делалось на экструдере Web4Deb и на экструзионных соплах 3D-принтера RepRap.

Структура поддержки

Опорная конструкция состоит из деревянного основания с 8 опорами, которые удерживают корпус экструдера от осевого, вертикального и крутильного перемещения. Инструкции ниже описывают процесс создания экструдера Mech 461. Большая часть этой конструкции может быть изменена для удовлетворения различных потребностей. Эта конструкция претерпела несколько изменений. Увеличенная поддержка была добавлена ​​после того, как одна из деревянных опор сломалась во время использования. Изменился также тип и расположение опор. Строительная документация на различные опоры будет добавлена ​​в ближайшее время.

в ходе выполнения

Система трансмиссии

Система привода состоит из следующих компонентов:

• большая и маленькая звездочка
• моторчик стеклоочистителя
• удлинение вала (файл детали доступен здесь )
• цепь
• устройство натяжения
• 2 стержня с резьбой 1/4–16 дюймов
• 8 гаек 1/4 дюйма
• деревянная опора
• металлическая обвязка

Каждый из этих компонентов является стандартным, за исключением удлинителя вала, который был изготовлен на заказ. Большая звездочка также была модифицирована для уменьшения внутреннего и внешнего диаметров отверстий.

Сборка системы трансмиссии выполнялась с использованием следующей процедуры. Схемы строительства будут добавлены в ближайшее время.

в ходе выполнения

Пластиковое шлифование

Чтобы превратить пластиковые бутылки в жизнеспособное сырье с помощью этого метода, их сначала нужно было измельчить на мелкие кусочки. С этой целью был исследован ряд методов.

В результате работы студентов Делфтского университета ряд обычных кухонных приборов был протестирован на способность к измельчению.<ref>. Браанкер, ГБ, Дювель, Дж.Э.П., Флохил, Дж.Дж., и Токая, GE (2010 г.), «Разработка надстройки по переработке пластмасс для 3D-принтера RepRap». (Интернет) Доступно: http://web.archive.org/web/20200211171744/https://reprapdelft.files.wordpress.com/2010/04/reprap-granule-extrumer-tudelft1.pdf (30 июня 2010 г.) .<ref>Были протестированы кухонный комбайн, кофемолка и блендер, причем блендер оказался наиболее эффективным. В соответствии с работой группы DelftU было обнаружено, что блендер работал лучше всего, когда в него добавляли воду, чтобы машина оставалась прохладной и удерживала измельчаемый пластик.

Однако это решение было недостаточно эффективным для измельчения в больших количествах, поскольку требовало слишком много времени. Кроме того, измельченный пластик необходимо было высушить, прежде чем его можно было использовать в экструдере. Более эффективный метод был найден при использовании офисного измельчителя марки Staples®, который был разработан для уничтожения кредитных карт и компакт-дисков. Это оказалось гораздо более эффективным по времени и энергии, а также позволило избежать использования воды. Использованный измельчитель был найден в местной деревне Валью за 24,99 доллара.

Тестирование показало, что этого метода достаточно. Некоторые проблемы возникли с более толстыми пластиковыми бутылками, поскольку измельчитель не мог полностью разрезать их на мелкие кусочки. Режущая кромка шнека все еще могла справиться с большинством этих образцов после того, как они были пропущены через измельчитель. Чтобы обеспечить бесперебойную работу машины и постоянную скорость экструзии, самые большие куски разрезали ножницами на более мелкие перед тем, как их поместили в бункер.

Полный метод подготовки пластика заключался в следующем:

• мытье пластиковых бутылок
• снятие этикеток и крышек
• нарезка на удобные кусочки для измельчителя
• измельчение

Ручку и крышки не использовали, так как их нельзя было пропустить через измельчитель. Этапы резки и измельчения чередовались, чтобы гарантировать, что измельчительная машина не перегревается, как это происходит при непрерывном измельчении в течение 15-минутного периода. Прерывистое измельчение в течение часа не вызвало никаких проблем с измельчительной машиной.

Будущая работа должна быть сосредоточена на устройстве для измельчения, которое не потребует разрезания бутылок и которое сможет производить более мелкую пластиковую стружку для подачи в бункер.

Возможно, подойдетверсия для настольного компьютера: https://www.youtube.com/watch?v=Aja7gcgRMJU .

Тестирование

Тестирование экструзии и разработка рабочего сырья из нити диаметром 3 мм продолжаются. Будут обновления.

Будущая работа

Шлифовальное устройство

• создание недорогого шлифовального устройства в отечественном масштабе.
• следует измельчить бутылки на мелкие кусочки (площадь < 1 см ² )
• не требуется предварительная резка
• можно принять ручки, крышки и т. д.

Смотрите также

• Recyclebot
• Категория:Руководство по восстановлению пластика
• Контроллер с открытым исходным кодом для экструдера полимера
• РепРэп
• Механические испытания полимерных компонентов, выполненные на 3D-принтере RepRap
• Разработка и реализация приложений для 3-D принтера RepRap
• Анализ жизненного цикла распределенной переработки полимеров
• Распределенное индивидуальное производство на солнечной энергии

Внешние ссылки

• RepRap wiki-робот-рециркулятор
• Адриан Бойер: Экструдер для нитей , эксперименты с экструдером для гранул
• Блог Capolight — Еще больше экспериментов с экструдером для гранулированного ПЭВП
• Резьба CNCZone
• Делфт – успешные эксперименты по экструзии HDPE
• Делфт - Итоговый исследовательский документ
• Fab@Home: Экструдер на основе пеллет , Исследовательская работа
• Пост Форреста Хиггса # 1
• Пост Форреста Хиггса # 2
• Gingery Books: машина для литья пластмасс своими руками от Gingery , полный список книг о пряниках
• Экструдер с гравитационной подачей
• Список операторов MakerBot [2] , [3] , [4] , [5] , [6]
• Операторы MakerBot — все темы по переработке
• Информация о производстве полимеров/пластиков
• RecycleBot (экструзия HDPE)
• Народные изделия и дизайн Private Limited

Рекомендации

Данные страницы

Авторы	Кристиан Бэхлер
Лицензия	CC-BY-SA-3.0
Язык	английский (англ.)
Переводы	французский , украинский , китайский , русский , испанский , польский
Связанный	6 подстраниц , 31 страница, ссылка здесь.
Влияние	6402 просмотра страниц
Созданный	14 января 2011 г. , Джошуа М. Пирс
Модифицированный	14 июля 2023 г. , Фелипе Шеноне
Цитировать как	Кристиан Бэхлер (2011–2023 гг.). «Экструдер для отходов пластика» . Аппропедия . Проверено 2 мая 2024 г.
API-запросы	базовый , семантический , HTML , файлы и многое другое