Physik  |  Technik

 

Robin Aregger, 2005 | Ruswil, LU

 

Diese Arbeit beschäftigte sich mit einer besonderen Art des PET-Recyclings. Es wurde eine Apparatur konstruiert, welche aus einer PET-Flasche kontinuierlich einen Streifen abzieht und mittels Pulltrusion zu einem Faden faltet bzw. schmilzt. Dieser PET-Faden wird als Ausgangsstoff für den 3D-Druck von Kunststoffhaken verwendet. Die Bruchfestigkeit der Haken aus dem PET-Flaschen-Filament ist 20 % geringer als bei Haken aus kommerziellem PETG-Filament. Dies wird jedoch durch die rund zehnmal geringeren Kosten des selbsthergestellten PET-Filaments relativiert. Die Art der PET-Flasche ist nur in Bezug auf die Wanddicke relevant, obgleich das Volumen der Flasche die Ertragsmenge von PET-Flaschen-Filament erhöht. PET-Filament wird üblicherweise nicht als Filament verwendet, da PET durch Ausbildung von teilkristallinen Bereichen bei zu langsamem Abkühlen spröde und trübe werden kann. Dies reduziert die maximale Festigkeit.

Fragestellung

Wie unterscheidet sich das Bruchgewicht des PET-Filaments von PETG- oder PLA-Filament? Welche Flaschen eignen sich für die Herstellung von PET-Filament? Ist ein problemloser 3D-Druck mit PET-Filament möglich? Lohnt es sich, selbst Filament aus PET-Flaschen in Bezug auf die Kosten herzustellen?

Methodik

Es wurde eine Apparatur auf Basis bestehender Anlagen gebaut. Kernbestandteile sind die Schneidevorrichtung (gegeneinander arbeitende Kugellager), das Heizelement (Heizblock, Heizpatrone, Kupferdüse), der Lüfter zur Abkühlung und eine motorisierte Spule für die Aufwicklung des Filaments und die Automatisierung des Prozesses. Ablauf der Arbeiten: Flasche reinigen und vorbereiten, Heizelement erhitzen, Flasche einspannen, Motor und Lüfter anschalten und gelegentliche Kontrolle des Verarbeitungsprozesses.
Mit angepassten 3D-Drucker-Einstellungen (Temperatur, Flussfaktor etc.) wurden Haken aus dem PET-Filament für den Belastungstest gedruckt. Durchgeführt wurde dieser mit einer Kranwaage und kontinuierlicher Belastungserhöhung.

Ergebnisse

Mit dem Pulltruder (Baukosten unter 100 Franken) konnte aus den allermeisten PET-Flaschen Filament hergestellt werden. Das Filament konnte ohne Beschädigung des 3D-Druckers verwendet werden und wies im Belastungstest eine Reduktion der maximalen Belastbarkeit um etwa 20 % im Vergleich mit den 3D-Druck Kunststoffen PLA und PETG auf.

Diskussion

Die Komponenten des Pulltruders ähneln denen eines 3D-Druckers. Vergleichsweise ist daher die Herstellung des Pulltruders günstiger und einfacher im Vergleich mit einem selbst gebauten Extruder (industrielle Filament-Herstellungsweise). PET ist zwar kein optimaler Kunststoff für den 3D-Druck. Dennoch war ein mit käuflichem Filament vergleichbarer Druck möglich, trotz Problemen mit Stringing (Nachsickern von Filament beim Positionenwechsel) und dem Auskristallisieren von PET (entstehend durch teilkristalline Strukturen). Die Struktur von PET und die Herstellungsweise des PET-Filaments erklären die 20-prozentige Reduktion der maximalen Festigkeit im Vergleich mit PETG- und PLA-Filament.
Der Zeitaufwand pro Flasche ist mit 30 – 40 min relativ hoch. Das wird jedoch relativiert durch die tiefen Stromkosten, von 2.4 Rappen pro Flasche. Rund 58 Halbliter-Flaschen werden für ein Kilogramm PET-Filament benötigt (17.5 g / Flasche), was Stromkosten in der Höhe von 1.4 Franken verursacht.

Schlussfolgerungen

Es ist möglich, verwertbares Filament aus PET-Flaschen herzustellen. Limitierende Faktoren sind der Zeitaufwand, unvollständiges Recycling (keine hundertprozentige Verwertung), verglichen mit anderen 3D-Druck-Kunststoffen ein schlechterer Werkstoff und ein nicht industriell aufbereitetes Rohmaterial. Trotz Einschränkungen ist ein mit industriellen Filamenten vergleichbarer Druck möglich, was vielseitigen Einsatz ermöglicht (z.B. nützliche Gegenstände für den täglichen Gebrauch oder Kunstwerke).
Das Potential könnte in Entwicklungsländern liegen, wo Filament mit hohen Kosten verbunden ist und kein ausgeprägtes PET-Recycling-System vorhanden ist.
Mögliche Optimierungen wären kleine Verbesserungen am Pulltruder für konstanteres Filament oder alternativ die Konstruktion eines Extruders für eine möglichst hundertprozentige Verwertung der PET-Flasche.

 

 

Würdigung durch den Experten

Prof. Heinz Domeisen

Weshalb kann man PET-Flaschen nicht selber zu etwas Nützlichem verarbeiten? Robin Aregger hatte nicht nur die Idee, sondern entwickelte gerade eine Anlage um Filament für einen 3D-Drucker herzustellen. Eigenschaften von PET analysieren, Bauteile anpassen und optimieren waren wesentliche Grundlagen für das Gelingen des Projektes. Mit der Herstellung verschiedener Objekte konnte – zwar mit einigem Aufwand – gezeigt werden, dass auch PET-Flaschen noch sinnvoll weiterverwendet werden können.

Prädikat:

gut

 

 

 

Kantonsschule Willisau
Lehrer: Urban Marty