废旧塑料挤出机

本页面由女王大学 应用可持续发展研究小组开发。

完成 RepRap 长丝废塑料挤出机。不包括假脱机装置

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RepRapable Recyclebot：开源 3D 打印挤出机，用于将塑料转换为 3D 打印长丝

版本

• 2.0 和 2.1
• 2.2
• 2.3
• 3.0
• 4.0交流
• 4.0直流
• 4.1
• 5.0（不起作用）
• RepRapable 回收机器人
• RepRapable 回收机器人 6.1

注意：此页面上的技术现已过时 - 请参阅Recyclebot 版本 2.3了解最新信息。

以下是为 Mech 461 演示文稿提交的修改后的摘要。该项目代表 Recyclebot v2。

快速原型机可以快速准确地制造产品或比例模型，是一种有用的生产和设计工具。最近开发了一种开源模型 RepRap，其构建成本可以低于 1000 美元，极大地扩大了快速原型师的潜在用户群。它可以用作小规模制造或可持续发展工具。RepRap 的塑料原料是成本仍可降低的领域之一。Web4Deb 创建了一种设备，可以将废塑料转化为植物的生长介质。他的设备经过改造，可以为 RepRap 打印机生产原料。对设计进行了描述和分析，包括部件特性、测试程序和挤压结果。该设备的成功将通过降低运营成本进一步提高 RepRap 的承受能力。长丝生产也可以提供替代收入来源。此外，它还可以在家庭中回收塑料并产生可用的副产品。这对废物管理领域具有影响，因为家庭回收可以通过绕过废物收集和运输来避免温室气体排放和与城市回收计划相关的经济成本。

项目总结

作为女王大学机械工程课程 Mech 461 的一部分，我将开发一种设备，将家庭塑料废物转化为可用材料，然后输入小型快速原型机，例如 RepRap 、 RapMan和Fab @home机器。以下是 Mech 461 网站上广告的该项目的官方描述。<ref>Pearce, J.项目描述：用于开源快速原型机的废塑料挤出机的设计和测试。机甲 461. [1] <ref>=== 简介 ===

传统上，3D 打印已用于快速原型制作，其中良好的公差、耐用性和快速的打印时间是用户的主要要求。因此，商业快速原型机在许多行业中被用来为设计阶段的产品制造定制零件，并且能够执行诸如使用悬伸和两种材料沉积方法打印工作滚珠轴承等操作。最近，开源快速原型机（例如 RepRap）的发展使得快速原型制作足够便宜，家庭用户也可以使用，并且可能对开源适当技术 (OSAT) 有用。商业打印机擅长快速生产复杂零件的高公差表示；然而，它们比大约 1,000 美元的 RepRap 贵得多（5000-200,000 美元）。此外，由于专有快速原型机通常拥有专有原料，因此它们也极其昂贵（1 美元/in3 至 4 美元/in3），而经常用于 RepRap (www.reprap.org) 的 ABS 塑料则便宜得多，为 0.032 美元/in3 。该项目的目标是进一步推动开源快速原型机的发展——使用废塑料而不是预成型 ABS 长丝作为原料。

科学与工程背景

最近有人提出可以使用开源 3D 打印机来推动可持续发展<ref>J. M Pearce、C. Morris Blair、KJ Laciak、R. Andrews、A. Nosrat 和 I. Zelenika-Zovko，“用于自主可持续发展的开源适当技术的 3D 打印”，可持续发展杂志 3(4 ），第 17-29 页（2010 年）。| http://www.ccsenet.org/journal/index.php/jsd/article/view/6984 <参考>。为了使这一目标成为现实，至关重要的是，原料必须采用当地可用的材料来开发，以防止当地生产的成本优势受到侵蚀。使用当地可用的材料来制造 OSAT 不仅可以确保相关社区在技术出现问题时减少对外国援助的依赖，而且还可以创造一种赋权感，因为技术不是作为一种慈善形式来分发的对外援的依赖。这可以通过使用废物（例如塑料袋或瓶子）产生的原料或通过使用现有的当地材料（例如生物聚合物）来实现。在大多数非农村社区，家庭垃圾（包括袋子、瓶子、食品和娱乐包装）中含有大量塑料，这是现实，但这些垃圾可以重复利用。可以使用一种工艺来制造用于 RepRap 的废塑料长丝。因此，需要一台塑料挤出机，它可以加热塑料并将其挤出为可供 3D 打印机使用的细丝。应该指出的是，生产长丝原料是一个挑战，因为直径必须精确，并且长丝必须非常圆（不是椭圆形），否则挤出机将生产质量差的零件或堵塞，就像 RapMan 所有者购买替换长丝时经常遇到的情况本地。料斗设计的挤出机可能不那么依赖于材料的尺寸特性，并且将颗粒原料与造粒机结合使用的可靠进步是可以探索的另一种选择。

研究目的

该研究项目的目标是设计、构建和测试 RepRap 挤出机，该挤出机可以将聚合物废料作为原料。

文献综述

请点击此链接访问完整的废塑料挤出机：文献综述。该综述探讨了一系列有关开源快速原型技术、废塑料处理和回收、材料特性和挤出技术等主题的文献。

设计

下面提供了设计说明，包括详细的组装说明。

挤出机

废塑料挤出机的设计深受“Web4Deb”（在线用户名）开发的挤出机的影响，该挤出机挤出 HDPE，用作鱼菜共生中的生长介质。此设计的详细信息可以在Web4Deb 的博客和设备的RepRap wiki 页面上找到。我们决定将此设计用作​​基础并进行修改，以生产与 RepRap 或 RapMan 3D 打印机一起使用的 3mm 细丝。

该设计具有以下特点。有关详细信息，请参阅“组装说明”部分。

• 用于挤出机机筒的 3/4"（内径）管。
• 分为 3 个单独的部分组装在一起（传动装置、料斗和加热装置）。
• 3/4"-17" 船孔螺旋钻 - 插入桶中。
• 料斗焊接到料斗部分。此处插入了碎塑料。
• 使用挡风玻璃刮水器电机转动螺旋钻（使用 1994 年 Dodge Neon 的型号）
• 链条和链轮传动系，2:1 比率（降低速度，增加扭矩）。
• 止推轴承/垫圈组件用于限制轴向运动以及运输塑料时施加到螺旋钻上的反作用力。
• 加热部分（如下所述）和具有 3mm 开口的模具。

加热段

• 14 号镍铬合金丝，盘绕在圆筒上。用耐热 Kapton 胶带固定。
• 加热段筒体上涂抹炉水泥，防止短路。（通过使用绝缘镍铬合金可以避免）。
• 使用 15V、5A 笔记本电脑电源时，温度达到 225 ^{o C。}
• Kapton 胶带可以防止机筒短路，但仅限于低于 250 ^o C 的应用。如果挤出 ABS 或 PET，则需要这种高温。
• 加热桶内的温度往往滞后约30 ^℃。

选择十四号线是为了以最小的功率需求创建加热区。目前，在 75W 功率（15V，5A）下，镍铬合金丝温度已达到 225oC ^。可以通过改变通过镍铬合金丝的电流来调节温度。增加电流会增加电线温度。目前，该部分只有一个均匀加热区，但是，如果发现对塑料进行更渐进的加热是有益的，则可以设置两个加热区。许多商业流程使用逐渐加热来确保材料均匀受热。<参考>Rosato, Dominick (1997)。塑料加工数据手册（第二版）.. Springer - Verlag。（在线）<ref>该网站提供了每种规格电线的电阻以及将每个规格加热到各种温度阈值所需的电流的规格。<ref> http://www.wiretron.com/design.html <ref>该网站的数据用于进行初步设计计算。

目前，加热部分未绝缘，但增加绝缘可能会提高性能。可以减少机器首次启动时的加热时间，并且可以在挤出机机筒中实现更高的温度。玻璃纤维/凯夫拉纤维包裹物可以用作绝缘材料，家用玻璃纤维棉絮也可以。

零件清单

设计中包含了一些进一步的修改和定制部件。挡风玻璃刮水器电机上增加了轴伸，以增加轴直径并为链轮的安装提供足够的空间。在轴和齿轮部分之间安装了一个套环，将螺旋钻固定到位，并允许安装止推轴承。每个定制部件都包含在下图中。

该挤出机由定制设计和库存材料组合而成。下面的列表总结了库存材料及其供应商的链接。

库存材料：

列出的所有零件号都是挤出机原型中使用的零件。其他品牌和零件可以替代。其中许多零件可以使用或作为废料使用。我免费找到了很多零件，比如胶合板、木板、紧固件和一些鳄鱼夹。以斜体列出的那些部件是挤出机主体所需的材料。就我而言，这些材料已包含在女王大学机械和材料工程机械车间的加工成本中。需要进一步制造来准备在挤出机中组装的零件。所需工具应能够切割金属（即磨床、全锯、氧乙炔焊炬等）和简单的焊接。就我而言，这些零件是定制的，如下所述。

定制零件

定制零件是在女王大学机械和材料系机械车间制造的。特别感谢 Andy Bryson 先生及其团队在制作过程中提供的帮助。大多数零件是使用焊接、切割和钻孔设备制造的。在某些情况下，制造还需要车床。下面可以找到每个定制零件的 STL 文件以及各个组件的制造图纸。这些文件显示了用于该特定挤出机的尺寸，并且是根据先前的Web4Deb 挤出机选择的，并适合其他组件（即螺旋钻）。尚未研究挤出机尺寸的优化。

零件图像文件

废旧塑料挤出机：文件

组装说明

以下是为 Mech 461 课程制作原型的挤出机设计的完整组装说明：

主体组装

主体包括：

• 加热、料斗和齿轮部分
• 6 个法兰
• 死
• 轴承支撑板
• 衣领
• 推力轴承和垫圈
• 螺旋钻
• 大链轮

以斜体显示的部件是自定义部件。施工图可以在零件文件部分找到。这些零件中的大多数应该可以使用金属切削和钻孔工具来构造。它们的尺寸是用于 Mech 461 挤出机原型的尺寸，但可以进行修改以适应个别设计。

一旦每个部分都构建完成。遵循以下程序：

1. 将法兰焊接到加热部分、料斗部分和齿轮部分的每一端。这允许将各个部分连接在一起。将它们放在单独的部分中可以使每个部分与身体的其他部分分开进行处理。特别是，拥有一个单独的加热区是有用的，该加热区可以单独工作并与挤出机组件的其余部分隔离。注：有可能制造具有单体结构的挤出机。
2. 第 1 部分中：您应该有一个齿轮、料斗和加热部分子组件，每个组件由适当的管道和 2 个法兰组成。
3. 料斗被焊接到料斗区域上管道的开口部分。
4. 切割出一块方形胶合板，尺寸大约为法兰尺寸。它放置在料斗和加热部分之间，以减少加热区和料斗区域之间的热传递。料斗段、加热段和夹板通过法兰孔用紧固件连接。
5. 可以使用相同的方法将模具连接到加热部分的另一端。
6. 将螺旋钻插入挤出机的机筒中。
7. 上面的定制项圈被放置在螺旋钻的柄上。轴环受到从柄到刀片不断增加的螺旋钻直径的限制。套环的较小外径放置在最靠近螺旋叶片的位置。它安装在挤出机机筒内。较大的外径限制了螺旋钻朝加热区轴向移动，因为它太大而无法安装在挤出机机筒中。
8. 接下来，将滚针止推轴承和垫圈放置在螺旋钻上（垫圈、轴承垫圈）。
9. 轴承组件受到“轴承支撑板”的约束。它通过紧固件连接到齿轮部分的法兰上。当螺旋钻推动塑料时，推力轴承抵消了施加在螺旋钻上的轴向力。
10. 在螺旋钻上加工了一个平面，以提供与链轮固定螺钉更好的接口。在测试过程中发现这是必要的，因为在形成平面之前链轮会在柄上滑动。
11. 将大链轮放置在柄上，并将紧定螺钉拧紧在带平面的部分上。

这样就完成了挤出机主体的组装。

加热段

加热区 - 显示用 Kapton 胶带固定的镍铬合金线

加热部分包括以下部件：

• 加热部分子组件（参见主体组件）
• 镍铬合金线（绝缘或非绝缘）
• 聚酰亚胺胶带
• 铜线
• 鳄鱼夹适配器

如果使用非绝缘镍铬合金：

• 炉水泥

加热区结构是废旧塑料挤出机的一个相当简单但重要的组件。如果使用绝缘或非绝缘镍铬合金线，则过程略有不同。如果您使用绝缘线，请跳过下面的步骤 1。

1. 在加热段筒体（管道）上覆盖一层薄薄的耐高温水泥。我用的是Bomix Pyromix。检查组件列表以获取产品链接。使该层尽可能薄，但确保没有裸露的金属。
2. 将镍铬合金丝从一端绕到另一端。覆盖整个桶的一个部分应该足够了，但两个独立的加热区可能有优势（更渐进、更均匀的加热；通过任何给定电线的电压更小）。我有效地使用了一个区域。如果您使用未绝缘的电线，请确保线圈不接触，否则会短路。
3. 用 Kapton 胶带固定电线。Kapton 胶带的额定温度为 250 ^o C。如果您将达到高于此温度（挤出 ABS 和 PET 所需），您可能需要用另一层熔炉水泥密封设备。
4. 将铜线连接到鳄鱼夹上，并使用它们作为引线连接到电源。
5. 根据需要进行测试和修改。

我使用了一个旧的笔记本电脑电源适配器（15V 5A），达到了225 ^℃。可以通过改变电线的电流来调节最高温度。这可以通过增加电阻或改变电源来完成。未来的工作是开发一种微控制器系统来监测和控制温度。过去，这已在 Web4Deb 挤出机和 RepRap 3D 打印机的挤出喷嘴上完成。

支撑结构

支撑结构由带有 8 个支撑件的木质底座组成，可限制挤出机机身的轴向、垂直和扭转运动。以下说明描述了用于创建 Mech 461 挤出机的过程。该设计的大部分内容都可以修改以满足不同的需求。这种设计经历了一些演变。其中一个木制支架在使用过程中断裂后增加了支撑。支撑的类型和位置也发生了变化。各种支撑的施工文档将在不久的将来添加。

进行中

传动系统

挡风玻璃刮水器电机用于驱动挤出机螺旋钻。连接到可移动平台，可轻松张紧链条。

传动系统由以下部件组成：

• 大链轮和小链轮
• 挡风玻璃刮水器电机
• 轴伸（此处提供零件文件）
• 链
• 张力装置
• 2 x 1/4"-16" 螺纹杆
• 8 1/4" 螺母
• 木支撑
• 金属捆扎

链轮链条传动系统。

除了定制的轴伸之外，这些部件中的每一个都是库存部件。大链轮也进行了修改，以减小内孔和外孔直径。

使用以下程序完成传动系统的组装。施工图将很快添加。

进行中

塑料研磨

为了使用这种方法将塑料瓶转化为可行的原料，首先必须将它们磨成小块。为此目的研究了多种方法。

根据代尔夫特大学学生的工作，对一些常见厨房用具的研磨能力进行了测试。<参考>。Braanker, GB、Duwel、JEP、Flohil, JJ 和 Tokaya, GE (2010)，“为 RepRap 3D 打印机开发塑料回收附加组件”。（在线）可用： http: //web.archive.org/web/20200211171744/https ://reprapdelft.files.wordpress.com/2010/04/reprap-capsule-extruder-tudelft1.pdf（2010 年 6 月 30 日） .<ref>对食品加工机、咖啡研磨机和搅拌机进行了测试，事实证明搅拌机是最有效的。与代尔夫特大学小组的工作一致，人们发现，当添加水以保持机器冷却并容纳正在研磨的塑料时，搅拌机的工作效果最佳。

然而，该解决方案对于大量研磨来说效率不够高，因为它需要太多时间。此外，磨碎的塑料必须先干燥才能用于挤出机。一种更有效的方法是使用 Staples(R) 品牌办公碎纸机，该碎纸机专为碎化信用卡和光盘而设计。事实证明，这更加节省时间和能源，并且避免了水的使用。在当地 Value Village 以 24.99 美元的价格找到了一台二手碎纸机。

测试表明这种方法是足够的。较厚的塑料瓶遇到一些问题，因为粉碎机无法将它们完全切成小块。在这些样本通过粉碎机后，螺旋钻的切削刃仍然能够处理大部分样本。为了确保机器平稳运行并以恒定速率挤出，在将其放入料斗之前，使用剪刀将最大的碎片切成较小的碎片。

全塑制备方法如下：

• 塑料瓶的清洗
• 去除标签和盖子
• 切成易于碎纸机处理的碎片
• 切碎

没有使用手柄和盖子，因为它们无法通过碎纸机送入。切割和切碎步骤交替进行，以确保切碎机不会像在 15 分钟内连续切碎时那样过热。一小时内的间歇性粉碎并未导致粉碎机出现任何问题。

未来的工作应该集中在一种粉碎装置上，该装置不需要对瓶子进行任何切割，并且可以产生更小的塑料碎片并送入料斗。

也许桌面大小的版本：https://www.youtube.com/watch?v=Aja7gcgRMJU可以工作。

测试

挤出测试和 3 毫米长丝原料的开发正在进行中。即将更新。

未来的工作

研磨装置

• 创建低成本、国产规模的研磨装置。
• 应将瓶子磨成小块（面积 < 1 cm ²）
• 无需预先切割
• 可容纳把手、盖子等。

也可以看看

• 回收机器人
• 类别：塑料回收手册
• 聚合物挤出机开源控制器
• 再现说唱
• 使用 RepRap 3-D 打印机制造的聚合物部件的机械测试
• RepRap 3-D 打印机应用的开发和可行性
• 分布式聚合物回收的生命周期分析
• 太阳能分布式定制制造

外部链接

• RepRap 维基回收机器人
• Adrian Bowyer：长丝挤出机、颗粒挤出机实验
• Capolight 博客 - 更多颗粒 HDPE 挤出机实验
• CNCZone 线程
• 代尔夫特 - 成功的 HDPE 挤出实验
• 代尔夫特 - 最终研究论文
• Fab@Home：基于颗粒的挤出机，研究论文
• 福雷斯特·希格斯帖子#1
• 福雷斯特·希格斯帖子 #2
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• 重力喂料挤出机
• MakerBot 操作员列表[2]、[3]、[4]、[5]、[6]
• MakerBot 操作员 - 所有回收线程
• 聚合物/塑料制造信息
• RecycleBot（HDPE 挤出）
• 民俗产品与设计私人有限公司

参考

页面数据

作者	克里斯蒂安·贝奇勒
执照	CC-BY-SA-3.0
语言	英语（en）
翻译	法语、乌克兰语、俄语
有关的	3个子页面，28页链接在这里
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已创建	一月 14, 2011作者：Joshua M. Pearce
修改的	七月 14, 2023作者：Felipe Schenone
引用为	克里斯蒂安·贝奇勒(2011–2023)。“废旧塑料挤出机”。附录。检索日期：2024 年 1 月 25 日。
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