تولید فیلامنت PET از بطری های بازیافتی

بازیافت بطری پلاستیکی پلی اتیلن ترفتالات برای چاپ 3 بعدی

زباله‌های پلاستیکی یکی از مشکلاتی است که درحال حاضر بسیاری از کشورها به ویژه اندونزی با آن مواجه است. طبق تحقیقات سازمان محیط زیست و جنگلداری (KLHK)، در سال 2021 میزان زباله به 68.5 میلیون تن رسید که تقریبا 18 درصد آن ضایعات پلاستیکی بودند. یکی از انواع ضایعات غیرقابل تجزیه چالش برانگیز بطری های پلاستیکی پلی اتیلن ترفتالات (PET) هستند. هدف از این مطالعه کاهش ضایعات بطری پلاستیکی PET با طراحی فیلامنت ساز به منظور پردازش بطری های پلاستیکی به فیلامنت برای چاپگرهای سه بعدی است. در این مطالعه شامل مراحل طراحی محصول با درنظر گرفتن جنبه های مختلف و تست محصول باهدف دستیابی به استانداردهای عملیاتی مناسب می شود. محصول انتخاب شده سومین طرح با تنوع در اندازه برش و اندازه بطری است. سرعت چرخش ایده آل موتور 30.2 دور در دقیقه و سرعت چرخش قرقره 3.3 دور در دقیقه با ضخامت برش 1 سانتیمتر است. این فیلامنت به دست آمده دارای قطر 1.5 میلیمتری است. آزمایش محصول نیز با استفاده از دو نوع بطری پلاستیکی با ضخامت 0.2 و 0.1 میلیمتر و همچنین اندازه 600-550 و 1500 میلی لیتر انجام شد. نتایج حاصل از این آزمایشات نشان می‌دهد که ضخامت و اندازه بطری بر طول فیلامنت تولید شده تاثیر می‌گذارد و بیشترین طول آن در اندازه بطری 1500 میلی‌لیتری و اندازه 745 سانتی‌متر است؛ سریع‌ترین سرعت اکستروژن فیلامنت نیز در بطری‌هایی با ضخامت 0.1 میلی‌متر تا 2.064 دقیقه است.

زباله های پلاستیکی یکی از مسائلی است که درحال حاضر اکثر جوامع به ویژه جامعه اندونزی با آن مواجه است. براساس تحقیقات سازمان محیط زیست و جنگلداری (KLHK)، در سال 2021 میزان زباله اندونزی 68.5 میلیون تن بود که حدود 18 درصد آن زباله‌های پلاستیکی بودند. مدیریت ضایعات پلاستیکی به عنوان مفهوم 3R (استفاده مجدد، کاهش، بازیافت) شناخته می شود. استفاده مجدد به معنای استفاده مکرر از اقلام پلاستیکی است؛ کاهش یعنی کاهش خرید یا استفاده از اقلام پلاستیکی، به ویژه موارد یکبار مصرف؛ بازیافت نیز به معنای پردازش مجدد اقلام پلاستیکی است که با پردازش فیزیکی، شیمیایی یا ترکیبی از هر دو به محصولاتی تبدیل می شوند که می توانند دوباره استفاده یا فروخته شوند. یکی از انواع زباله های غیرقابل تجزیه چالش برانگیز بطری های پلاستیکی پلی اتیلن ترفتالات (PET) هستند. پلی اتیلن ترفتالات (PET) کاربرد گسترده ای در برخی صنایع مانند بطری آب یا نوشیدنی دارد. PET دارای چندین مزیت ازجمله قابلیت بازیافت و تبدیل به محصولات مختلف با ارزش اقتصادی مانند فیلامنت، اسباب بازی، مبلمان و دکوراتیو است. فیلامنت یک ماده مورد استفاده برای ساخت نمونه های اولیه مدل های 3 بعدی است. چاپ 3 بعدی یک روش بسیار محبوب برای ایجاد نمونه اولیه است. برای پردازش ضایعات PET به فیلامنت 3 بعدی، از ابزاری به نام دستگاه فیلامنت ساز استفاده می‌شود که می‌توان از آن در فرایند پردازش استفاده کرد. مطالعات متعددی به توسعه دستگاه فیلامنت ساز پرداخته اند. مراحل بررسی دستگاه فیلامنت ساز شامل پردازش ضایعات PET با استفاده از Arduino به عنوان یک سیستم کنترل است که با افزودن یک فن خنک کننده به تسریع در سخت شدن فیلامنت، حفظ یکنواختی قطر و تولید فیلامنت‌های یکنواخت و براق با سطح صاف کمک می‌کند.

علاوه براین، بسیاری از تحقیقات بر بهبود دستگاه فیلامنت ساز با یکپارچه‌سازی مکانیسم خنک‌کننده به منظور دستیابی به فیلامنت هایی با قطر منسجم‌تر متمرکز شده اند. با این حال، در برخی تحقیقات از بطری های PET برای تولید فیلامنت چاپ 3 بعدی ساده تر استفاده می شود. گویانس و همکارانش پروژه ای را باهدف ساخت یک دستگاه اکستروژن آغاز کردند که قادر به تولید فیلامنت های چاپ 3 بعدی با استفاده از بطری های آب دور ریخته شده، معمولا بطری های پلی اتیلن ترفتالات (PET) است. آنها از بطری های PET به عنوان ماده اولیه برای تولید فیلامنت استفاده کردند. گرومز نیز پروژه ای را با تمرکز بر توسعه اکسترودر فیلامنت چاپ 3 بعدی ارزان با استفاده از مواد و اجزای در دسترس ازجمله ضایعات آغاز کرد. این رویکرد بر سادگی در انتخاب مواد جهت تکمیل کارآمد پروژه تاکید داشت. همچنین دورنا به تغییر مونتاژ نازل پرداخت که شامل یک پوشش داغ برای حذف نیاز به درج تفلون و دستیابی به دمای موثر نازل بالاتر است. علاوه براین، کریگر و همکارانش نیز مواد مختلفی را که برای برنامه های کاربردی چاپ 3 بعدی مناسب هستند، باتوجه به ویژگی های آنها همچون دمای ذوب و دمای تنظیم شده مورد بحث و آزمایش قرار دادند. موهان و همکارانش هم به بررسی انواع مختلف سنسورهای دما که برای کاربردهای مختلف قابل استفاده هستند، با تمرکز بر اندازه گیری دقیق دمای مطلوب پرداختند.

انتخاب مفهوم باهدف دستیابی به طرح های جایگزین باتوجه به نیاز مشتری انجام می شود و می توان از آن برای مشتریان یا مصرف کنندگان استفاده کرد. روش مورد استفاده برای انتخاب یک مفهوم شامل گزینه هایی است که مفهوم را براساس ماتریس تصمیم گیری انتخاب می کنند. در جدول زیر ماتریس تصمیم گیری فیلامنت ساز نشان داده شده است.

جدول 1:

در جدول بالا، مفهوم سوم (C-3) به عنوان بزرگترین ماتریس تصمیم گیری براساس معیاری که ایجاد شده است بیان شد. این نتایج از شبیه سازی های تحلیل بار استاتیکی با استفاده از برنامه Ansys به دست آمدند. آزمایشات با استفاده از دو روش بارگذاری عمودی و افقی در هر بخش به منظور دستیابی به تنش مقایسه ای و تعیین ضریب ایمنی انجام شدند. هدف از آزمایشات تحت بارهای افقی ارزیابی اثر بار اعمال شده بر ساختار تنظیم کننده کاتر بطری بود؛ فرض بر این است که موقعیت درگیر فرایند اکستروژن است درحالی که بار را از بطری که توسط یک موتور استپر کشیده می شود دریافت می کند. اما هدف از آزمایش بار عمودی ارزیابی اثر بار اعمال شده بر ساختار لغزنده است؛ در این موقعیت فرض بر این است که در هنگام دریافت بار از بطری که توسط یک موتور استپر کشیده می شود، درگیر فرایند اکستروژن با بارهای مختلف 2.5 کیلوگرم یا 25 نیوتن، 2.0 کیلوگرم یا 20 نیوتن، و 1.5 کیلوگرم یا 15 نیوتن با استفاده از مواد لغزنده آلومینیومی است.

یافته های حاصل از این مطالعه:

1. این مطالعه با موفقیت یک دستگاه فیلامنت ساز کارآمد و قابل اعتماد را باهدف تبدیل ضایعات بطری پلاستیکی PET به فیلامنت های قابل استفاده در چاپ 3 بعدی، با استحکام بالا هنگامی که باری بر روی کاتر و تنظیم کننده اعمال می شود طراحی و ساخت.

2. مکانیسم نورد در دستگاه فیلامنت ساز چاپ 3 بعدی با استفاده از استپرNema 17  به عنوان یک محرک وArduino Uno  به عنوان کنترل کننده به خوبی عمل می کند. سرعت موتور مورد استفاده برای اکسترود کردن بطری های پلاستیکی 30.2 دور در دقیقه با ورودی پتانسیومتر 99 درصد است. در این سرعت فیلامنت تولید شده از کیفیت خوب، قطر یکنواخت و سطح صافی برخوردار است.

3. بهترین نوع بطری با استفاده از دستگاه فیلامنت ساز دارای موتور استپرNema 17  به عنوان یک محرک با زمان اکستروژن 2.064 دقیقه و بار کششی 15.88 نیوتن تولید شد.