Студенческая научно-исследовательская группа (СНИК) инженерно-физического факультета Адыгейского государственного университета под руководством кандидата технических наук Семена Теплоухова описала методику сборки и наладки экономичного устройства для переработки ПЭТ-бутылок в пластиковые нити (филамент) для 3D-печати деталей.
Методика разрабатывалась на средства внутреннего гранта вуза для выигравших конкурс СНИКов.
Устройство представляет собой экструдер, принцип работы которого основан на продавливании расплавленного пластика через формующие отверстия. Предлагаемое решение позволит перерабатывать пластмассу в пруток постоянного диаметра 1,75 мм.
Команда построила принципиальную схему устройства, выполнила 3D-печать катушки, на которую производится намотка нити, и разработала программу для использованного в устройстве микроконтроллера Arduino Nano, позволяющего менять параметры работы. В результате был создан жизнеспособный прототип экструдера. С его помощью ученые провели ряд экспериментов и описали оптимальные настройки.
— Перед нами стояла инженерная задача. Требовалось правильно определить параметры устройства, чтобы на выходе получилась нить достаточного качества для дальнейшей 3D-печати. Мы сравнили полученную нить с промышленным образцом и пришли к выводу, что предлагаемый экструдер филамента позволяет значительно повысить экономическую эффективность 3D-принтера, — рассказал член студенческой научно-исследовательской команды Вадим Тимаков.
В чем выгода?
Существует несколько видов производства пластиковых нитей. Стандартная — это формирование их в экструдере из специальных пластиковых гранул. При этом гранулы должны быть промышленно подготовлены. В экструдере они переплавляются и вытягиваются в нити.
Второй вид начинается с измельчения бракованных или других используемых для этого пластиковых фигур. Здесь возникают сложности, так как не все поддается качественной переработке и сильно влияет на финальный результат чистота этих фрагментов до переработки.
В третьем варианте для производства филамента берется обычная пластиковая бутылка: ее можно считать относительно подготовленной, она легко чистится, ее легко переплавлять. Кроме того, найти бутылки для переработки не составляет сложности.
Существует и несколько подходов к производству таких экструдеров. Однако цена отечественных и импортных аналогов, чей принцип работы был взят за основу в разработке команды из АГУ, стартует от ста тысяч рублей и имеет закрытые программный код. Себестоимость же полученного устройства вышла в пять раз ниже.
В чем сложность настройки?
Разработчики должны были найти оптимальную температуру плавления, вычислить нужную ширину нарезки бутылочного полотна в зависимости от объема вещества и планируемой толщины нити. Кроме того, важно было описать методику определения правильной скорости намотки филамента на бобину. Она зависит целой группы параметров — толщины нарезки, температуры разогрева сопла, мощности двигателя и других факторов.
— Частично параметры мы находили через теоретические расчеты, а часть из них была определена экспериментально. Например, температуру в бытовых условиях здесь можно вычислить только наполовину, так как она сильно зависит от качества и состава пластика, — рассказал Семен Теплоухов.
Такие устройства можно масштабировать и применять в походных условиях, далеких от промышленных и лабораторных. Это может быть важно в военной сфере. В глобальном же смысле, повсеместное внедрение недорогих устройств может частично решить проблему выгодной переработки пластиковых бутылок, которые загрязняют окружающую среду при неправильной утилизации.
Минусы и критика
Портативный экструдер хоть и позволяет превращать мусор в сырье для 3D-печати, однако качество нитей, который получаются не промышленным способом оказывается ниже. Могут быть внутренние дефекты в пластике. Но, по словам ученых, это проблема не только конкретно этого устройства, но и в целом подхода. Исследователи отмечают этот нюанс, но по их подсчетам, этого качества достаточно для решения многих бытовых задач.
Еще одна причина для критики — это невозможность переработки бутылки полностью. Горлышко и дно бутылки остается не задействованным, так как команда пока не разработала способ быстрого расчета объема и плотности вещества для эффективного задания параметров.
