Исследование и разработка инновационных методов применения и утилизации биоразлагаемого пластика полилактида, используемого при технологических процессах печати на 3О-принтере (на примере ООО «Прототип» г.о. Тольятти)
|
ВВЕДЕНИЕ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
1Теоретические основы исследования биоразлагаемого пластика
полилактида
1.1Подбор научных публикаций, нормативных документов по теме
диссертационного исследования
1.2Сравнительные анализы биоразлагаемого пластика полилактида
(PLA) и акрилонитрилбутадиенстирола (ABS)
2Особенности технологии 3И-печати
2.13Э-печать
2.2Общая структура работы SD-принтера
2.3Технологический процесс печати изделий на 3D принтере
2.3.1Создание цифровой модели 3 5
2.3.2Экспорт 3D-модели в STL-формат
2.3.3Г енерирование G-кода 3 6
2.3.4Финишная обработка объекта
2.4Риски при работе с 3D-принтером
3Проведение теоретических и экспериментальных исследований
использования биоразлагаемого пластика полилактида
3.1Описание организации ООО «Прототип»
3.2Результат экспериментального исследования - расход электроэнергии при
печати разными видами пластика
3.3Исследование на наличие выделяемых вредных веществ при печати
разными видами пластика
3.4Исследование на прочность изделий, напечатанных на 3Д-принтере
разными видами пластика
3.4.1Испытание пластиков на изгиб
3.4.2Испытание пластиков на растяжение
3.4.3Испытание пластиков на сжатие
3.5Экспериментальное исследование при воздействии температур на
PLA-пластик
3.6Прототипирование изделий, напечатанных на 3Э-принтере разными
видами пластика
3.7Исследование и разработка методов утилизации биоразлагаемого
пластика
3.8Обоснованность применения биоразлагаемого пластика
в ООО «Прототип»
3.9Основные выводы по проведенным теоретическим и экспериментальным
исследованиям биоразлагаемого пластика полилактида
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
1Теоретические основы исследования биоразлагаемого пластика
полилактида
1.1Подбор научных публикаций, нормативных документов по теме
диссертационного исследования
1.2Сравнительные анализы биоразлагаемого пластика полилактида
(PLA) и акрилонитрилбутадиенстирола (ABS)
2Особенности технологии 3И-печати
2.13Э-печать
2.2Общая структура работы SD-принтера
2.3Технологический процесс печати изделий на 3D принтере
2.3.1Создание цифровой модели 3 5
2.3.2Экспорт 3D-модели в STL-формат
2.3.3Г енерирование G-кода 3 6
2.3.4Финишная обработка объекта
2.4Риски при работе с 3D-принтером
3Проведение теоретических и экспериментальных исследований
использования биоразлагаемого пластика полилактида
3.1Описание организации ООО «Прототип»
3.2Результат экспериментального исследования - расход электроэнергии при
печати разными видами пластика
3.3Исследование на наличие выделяемых вредных веществ при печати
разными видами пластика
3.4Исследование на прочность изделий, напечатанных на 3Д-принтере
разными видами пластика
3.4.1Испытание пластиков на изгиб
3.4.2Испытание пластиков на растяжение
3.4.3Испытание пластиков на сжатие
3.5Экспериментальное исследование при воздействии температур на
PLA-пластик
3.6Прототипирование изделий, напечатанных на 3Э-принтере разными
видами пластика
3.7Исследование и разработка методов утилизации биоразлагаемого
пластика
3.8Обоснованность применения биоразлагаемого пластика
в ООО «Прототип»
3.9Основные выводы по проведенным теоретическим и экспериментальным
исследованиям биоразлагаемого пластика полилактида
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
коло 95% полимерных материалов производятся из ограниченных и невозобновляемых природных ресурсов, а именно, нефти, в качестве сырья и ресурсов в виде энергии. Долгое время альтернативные источники сырья для производства полимерных материалов не оправдывали ожидания разработчиков, у них была высокая себестоимость, а также ограниченные функциональные и эксплуатационные возможности [1]. Обострение экологических проблем в мире, выбросы в окружающую среду вредных веществ при производстве и утилизации полимеров на основе нефти, накопление полимеров, которые не утилизировались, дало толчок к развитию и увеличения производства биологически разлагаемых полимеров, которые уменьшают воздействие на окружающую среду. Одним из таких биоразлагаемых полимеров является полилактид, который получается из возобновляемых природных ресурсов и сырья (кукуруза, сахарный тростник и т.д.) [2].
Актуальность темы исследования. Процесс SD-печати последнее время получил огромную популярность, как среди любителей, так и при производстве различных изделий в промышленности. В большинстве случаев используются полимерные нити для печати, изготовленные на основе нефти, типа акрилонитрилбутадиенстирола.
Акрилонитрилбутадиенстирол при нагревании, при технологических процессах SD-печати выделяет вредные вещества, а именно, акрилонитрил, который при длительном вдыхании может вызвать отравление и раздражение слизистых оболочек человека. Такой вид пластика категорически запрещается использовать маленькими детьми в качестве игрушек, а также в качестве контейнеров и посуды для хранений пищевых продуктов (в особенности горячих). ABS-пластик может быть вторично переработан, в качестве основных способов переработки используется метод измельчения и термическая обработка, что является довольно дорогостоящим и сложным процессом. Разлагается такой пластик только при температуре свыше 300°С, углеводороды являются основными продуктами распада. При температуре более 340°С акрилонитрилбутадиенстирол дает выход аммиаку (NH3), цианистому водороду (HCN) и в небольших количествах стиролу (C8H8). Все это приносит непоправимый вред для окружающей и природной среды.
Актуальность данной магистерской диссертации заключается в исследовании и разработки внедрения нитей биоразлагаемого пластика полилактида для SD-печати, которые имеют экологически чистые качества при использовании, как человеком, так и для окружающей природной среды. В природной среде биоразлагаемый пластик полилактид разлагается до биогенных элементов, которые включаются в естественный природный круговорот веществ.
Целью исследования является разработка и внедрение экологически чистой технологии применения биоразлагаемого пластика полилактида в процессе 3В-печати.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1.Провести исследования свойств, структуры и применения биоразлагаемого пластика полилактида, в том числе при печати им изделий на SD-принтере.
2.Провести сравнительный анализ характеристик биоразлагаемого пластика полилактида с акрилонитрилбутадиенстиролом.
3.Выявить особенности технологии и рисков при 3В-печати.
4.Провести экспериментальные и теоретические исследования использования биоразлагаемого пластика полилактида по следующим параметрам: расход электроэнергии при печати; наличие выделения вредных веществ при печати; прочность, изгиб, растяжение, сжатие изделий из пластика; воздействие повышенных температур; прототипирование изделий больших размеров.
5.Выявить этапы биоразложения пластика полилактида.
6.Разработать рекомендации по утилизации биоразлагаемого пластика полилактида.
Объект исследования. Процесс SD-печати с использованием полилактида.
Теоретическая и методологическая база исследования. Теоретической и методологической базой исследования является литературный поиск, математические методы, тестирование возможных методов разработки применения и утилизации данного пластика, сравнительный анализ с пластиками, не имеющих биоразлагаемых свойств, а также исследование его использования при печати изделий на SD-принтере.
Биоразлагаемый пластик полилактид был внедрен в технологический процесс печати на SD-принтере на примере ООО «Прототип» г.о.Тольятти.
Научная новизна исследования заключается в разработке теоретических и практических положений использования биоразлагаемого пластика полилактида по определенным параметрам, что позволит сделать вывод о необходимости внедрения его в процесс SD-печати.
Установлены сравнительные характеристики двух видов пластика, а именно, полилактида и акрилонитрилбутадиенстирола. Разработаны
технология SD-печати и технологический процесс SD-печати, определены риски при печати на SD-принтере. Разработаны методы подсчета затрачиваемой электроэнергии при печати разными видами пластика. Выявлены основные недостатки использования полилактида и акрилонитрилбутадиенстирола при SD-печати. Спроектированы методы утилизации биоразлагаемого пластика полилактида.
Теоретическая и практическая значимость магистерской диссертации заключается в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований качественных характеристик пластиков выявлены основные недостатки и преимущества полилактида и акрилонитрилбутадиенстирола, разработаны методы утилизации полилактида и определена экономическая целесообразность внедрения полилактида в ООО «Прототип».
Положения, выносимые на защиту. В результате проведенного экспериментального исследования печати одинаковых изделий при помощи PLA-пластика и ABS-пластика на SD-и :тере установлено, что печать изделий на принтере с использованием биоразлагаемого пластика полилактида значительно экономит расход электроэнергии, печать данными видами пластиками безопасна и безвредна, пластик PLA проявил себя прочным при изгибе, при растяжении и самым прочным при испытании на сжатие. Образцы изделий пластика совсем не деформируются, но изделия из полилактида невозможно эксплуатировать при высоких температурах (от 50°C). Также данный пластик возможно применять для печати больших прототипов изделий, макетов, образцов и т.д. в отличие от ABS-пластика.
Основным рекомендуемым способом утилизации биоразлагаемого пластика полилактида является метод компостирования. Выкидывать использованные изделия из полилактида вместе с остальным бытовым мусором не рекомендуется.
Увеличение объемов печати пластиком полилактидом в ООО «Прототип» до 20% существенно сэкономит затраты предприятия.
Степень достоверности и апробация результатов изложена в части 3 магистерской диссертации, а именно, приведены данные по расходу электроэнергии при печати на принтере двумя видами пластика, полилактидом (PLA) и ABS-пластиком; исследовано наличие выделяемых вредных веществ при печати PLA-пластиком и ABS-пластиком; проведены исследования на прочность изделий, напечатанных на 3Д-принтере разными видами пластика; описаны экспериментальные исследования при воздействии температур на PLA-пластик; рассмотрен вопрос прототипирования изделий, напечатанных на 3Д-принтере разными видами пластика; а также рассмотрены и предложены методы утилизации биоразлагаемого пластика.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка используемых источников, состоящего из 39 источников. Основная часть исследования изложена на 41 странице, текст иллюстрирован 13 таблицами, 30 рисунками.
Актуальность темы исследования. Процесс SD-печати последнее время получил огромную популярность, как среди любителей, так и при производстве различных изделий в промышленности. В большинстве случаев используются полимерные нити для печати, изготовленные на основе нефти, типа акрилонитрилбутадиенстирола.
Акрилонитрилбутадиенстирол при нагревании, при технологических процессах SD-печати выделяет вредные вещества, а именно, акрилонитрил, который при длительном вдыхании может вызвать отравление и раздражение слизистых оболочек человека. Такой вид пластика категорически запрещается использовать маленькими детьми в качестве игрушек, а также в качестве контейнеров и посуды для хранений пищевых продуктов (в особенности горячих). ABS-пластик может быть вторично переработан, в качестве основных способов переработки используется метод измельчения и термическая обработка, что является довольно дорогостоящим и сложным процессом. Разлагается такой пластик только при температуре свыше 300°С, углеводороды являются основными продуктами распада. При температуре более 340°С акрилонитрилбутадиенстирол дает выход аммиаку (NH3), цианистому водороду (HCN) и в небольших количествах стиролу (C8H8). Все это приносит непоправимый вред для окружающей и природной среды.
Актуальность данной магистерской диссертации заключается в исследовании и разработки внедрения нитей биоразлагаемого пластика полилактида для SD-печати, которые имеют экологически чистые качества при использовании, как человеком, так и для окружающей природной среды. В природной среде биоразлагаемый пластик полилактид разлагается до биогенных элементов, которые включаются в естественный природный круговорот веществ.
Целью исследования является разработка и внедрение экологически чистой технологии применения биоразлагаемого пластика полилактида в процессе 3В-печати.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1.Провести исследования свойств, структуры и применения биоразлагаемого пластика полилактида, в том числе при печати им изделий на SD-принтере.
2.Провести сравнительный анализ характеристик биоразлагаемого пластика полилактида с акрилонитрилбутадиенстиролом.
3.Выявить особенности технологии и рисков при 3В-печати.
4.Провести экспериментальные и теоретические исследования использования биоразлагаемого пластика полилактида по следующим параметрам: расход электроэнергии при печати; наличие выделения вредных веществ при печати; прочность, изгиб, растяжение, сжатие изделий из пластика; воздействие повышенных температур; прототипирование изделий больших размеров.
5.Выявить этапы биоразложения пластика полилактида.
6.Разработать рекомендации по утилизации биоразлагаемого пластика полилактида.
Объект исследования. Процесс SD-печати с использованием полилактида.
Теоретическая и методологическая база исследования. Теоретической и методологической базой исследования является литературный поиск, математические методы, тестирование возможных методов разработки применения и утилизации данного пластика, сравнительный анализ с пластиками, не имеющих биоразлагаемых свойств, а также исследование его использования при печати изделий на SD-принтере.
Биоразлагаемый пластик полилактид был внедрен в технологический процесс печати на SD-принтере на примере ООО «Прототип» г.о.Тольятти.
Научная новизна исследования заключается в разработке теоретических и практических положений использования биоразлагаемого пластика полилактида по определенным параметрам, что позволит сделать вывод о необходимости внедрения его в процесс SD-печати.
Установлены сравнительные характеристики двух видов пластика, а именно, полилактида и акрилонитрилбутадиенстирола. Разработаны
технология SD-печати и технологический процесс SD-печати, определены риски при печати на SD-принтере. Разработаны методы подсчета затрачиваемой электроэнергии при печати разными видами пластика. Выявлены основные недостатки использования полилактида и акрилонитрилбутадиенстирола при SD-печати. Спроектированы методы утилизации биоразлагаемого пластика полилактида.
Теоретическая и практическая значимость магистерской диссертации заключается в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований качественных характеристик пластиков выявлены основные недостатки и преимущества полилактида и акрилонитрилбутадиенстирола, разработаны методы утилизации полилактида и определена экономическая целесообразность внедрения полилактида в ООО «Прототип».
Положения, выносимые на защиту. В результате проведенного экспериментального исследования печати одинаковых изделий при помощи PLA-пластика и ABS-пластика на SD-и :тере установлено, что печать изделий на принтере с использованием биоразлагаемого пластика полилактида значительно экономит расход электроэнергии, печать данными видами пластиками безопасна и безвредна, пластик PLA проявил себя прочным при изгибе, при растяжении и самым прочным при испытании на сжатие. Образцы изделий пластика совсем не деформируются, но изделия из полилактида невозможно эксплуатировать при высоких температурах (от 50°C). Также данный пластик возможно применять для печати больших прототипов изделий, макетов, образцов и т.д. в отличие от ABS-пластика.
Основным рекомендуемым способом утилизации биоразлагаемого пластика полилактида является метод компостирования. Выкидывать использованные изделия из полилактида вместе с остальным бытовым мусором не рекомендуется.
Увеличение объемов печати пластиком полилактидом в ООО «Прототип» до 20% существенно сэкономит затраты предприятия.
Степень достоверности и апробация результатов изложена в части 3 магистерской диссертации, а именно, приведены данные по расходу электроэнергии при печати на принтере двумя видами пластика, полилактидом (PLA) и ABS-пластиком; исследовано наличие выделяемых вредных веществ при печати PLA-пластиком и ABS-пластиком; проведены исследования на прочность изделий, напечатанных на 3Д-принтере разными видами пластика; описаны экспериментальные исследования при воздействии температур на PLA-пластик; рассмотрен вопрос прототипирования изделий, напечатанных на 3Д-принтере разными видами пластика; а также рассмотрены и предложены методы утилизации биоразлагаемого пластика.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка используемых источников, состоящего из 39 источников. Основная часть исследования изложена на 41 странице, текст иллюстрирован 13 таблицами, 30 рисунками.
В магистерской диссертации проводилась теоретическая и экспериментальная работа по исследованию и разработке методов применения и утилизации биоразлагаемого пластика полилактида, используемого при печати изделий на SD-принтере в ООО «Прототип» (г.о.Тольятти).
Было выяснено, что пластик полилактид применяется для производства экологически чистой продукции, изделий, в том числе для детей, и имеет биоразлагаемые качества, что является совершенно безопасным при использовании человеком. Полилактид не выделяют вредных веществ, как при его производстве, так и при непосредственном использовании, а также дальнейшей утилизации.
Одна из целей научного исследования и содержания магистерской диссертации это сравнительный анализ методов применения и утилизации биоразлагаемого пластика полилактида по сравнению с пластиками, не имеющих биоразлагаемых свойств (акрилонитрилбутадиенстирол), и приводящих к пластиковому загрязнению окружающей среды с приведением соответствующих выводов по работе.
Проводилось детальное исследование использования полилактида при печати изделий на SD-принтере и сравнительный анализ с ABS-пластиками, которые широко используются в настоящее время при печати изделий на SD- принтере.
Большое внимание в работе было уделено структуре SD-принтера, особенностям печати на нем, детально рассмотрен технологический процесс при печати изделий из пластика, риски при работе с SD-принтером.
Экспериментальное исследование печати одинаковых изделий при помощи PLA-пластика и ABS-пластика на SD-принтере помогло выяснить, что печать изделий на принтере с использованием биоразлагаемого пластика полилактида значительно экономит расход электроэнергии, так как одно из 83
важных свойств пластика, это отсутствие усадки, что не требует подогрева столика печати.
При исследовании на выделение вредных веществ при печати было выяснено, что запыленность микрочастицами при печати на SD-принтере представленными видами пластика абсолютно безвредная для здоровья.
Основное выделение в воздух при печати ABS-пластиком это хлористый винил. По результатам исследования его фоновые показатели превышаются в 3,4 раза. Данное превышение в 24,8 раза меньше, чем предельно-допустимая концентрация.
При печати PLA-пластиком основным продуктом распада является ацетон, но его выделение при экструзии согласно результатам исследования находится в пределах погрешности, а общее его содержание в воздухе помещения офиса в ходе исследования находится в 7,5 раз ниже, чем ПДК.
Можно сформулировать вывод, что печать данными видами пластиками безопасна согласно Постановлению Главного государственного санитарного врача РФ от 22.12.2017 N 165 "Об утверждении гигиенических нормативов ГН 2.1.6.3492-17 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений".
Пластик PLA оказался прочным при изгибе, при растяжении и самым прочным при испытании на сжатие, образцы изделий пластика совсем не деформировались.
Одним из минусов при эксплуатации изделий из пластика полилактида является его невозможность использования при высоких температурах (от 50°C), пластик деформируется и размягчается, что больше подходит для изделий и ограниченным сроком службы.
PLA-пластик рекомендуется использовать для печати больших прототипов изделий, макетов, образцов и т.д. в отличие от ABS-пластика. Имея принтер больших размеров, можно напечатать изделие соответствующих больших размеров, деталь будет иметь более качественный и завершенный вид, а также более четкую детализацию.
Основным рекомендуемым способом утилизации биоразлагаемого пластика полилактида является метод компостирования, аэробный или анаэробный. Выкидывать использованный полилактид вместе с остальным бытовым мусором не рекомендуется. Полное биоразложение пластика при высокой температуре может произойти за 15 дней. При утилизации биоразлагаемых пластиков методом сжигания не выделяются вредные вещества, в отличие от пластиков на основе нефти. Полилактид является экологически чистым возобновляемым материалом.
Увеличение объемов печати некоторых изделий пластиком полилактидом в ООО «Прототип» с 5% до 20% существенно сэкономит затраты предприятия.
Было выяснено, что пластик полилактид применяется для производства экологически чистой продукции, изделий, в том числе для детей, и имеет биоразлагаемые качества, что является совершенно безопасным при использовании человеком. Полилактид не выделяют вредных веществ, как при его производстве, так и при непосредственном использовании, а также дальнейшей утилизации.
Одна из целей научного исследования и содержания магистерской диссертации это сравнительный анализ методов применения и утилизации биоразлагаемого пластика полилактида по сравнению с пластиками, не имеющих биоразлагаемых свойств (акрилонитрилбутадиенстирол), и приводящих к пластиковому загрязнению окружающей среды с приведением соответствующих выводов по работе.
Проводилось детальное исследование использования полилактида при печати изделий на SD-принтере и сравнительный анализ с ABS-пластиками, которые широко используются в настоящее время при печати изделий на SD- принтере.
Большое внимание в работе было уделено структуре SD-принтера, особенностям печати на нем, детально рассмотрен технологический процесс при печати изделий из пластика, риски при работе с SD-принтером.
Экспериментальное исследование печати одинаковых изделий при помощи PLA-пластика и ABS-пластика на SD-принтере помогло выяснить, что печать изделий на принтере с использованием биоразлагаемого пластика полилактида значительно экономит расход электроэнергии, так как одно из 83
важных свойств пластика, это отсутствие усадки, что не требует подогрева столика печати.
При исследовании на выделение вредных веществ при печати было выяснено, что запыленность микрочастицами при печати на SD-принтере представленными видами пластика абсолютно безвредная для здоровья.
Основное выделение в воздух при печати ABS-пластиком это хлористый винил. По результатам исследования его фоновые показатели превышаются в 3,4 раза. Данное превышение в 24,8 раза меньше, чем предельно-допустимая концентрация.
При печати PLA-пластиком основным продуктом распада является ацетон, но его выделение при экструзии согласно результатам исследования находится в пределах погрешности, а общее его содержание в воздухе помещения офиса в ходе исследования находится в 7,5 раз ниже, чем ПДК.
Можно сформулировать вывод, что печать данными видами пластиками безопасна согласно Постановлению Главного государственного санитарного врача РФ от 22.12.2017 N 165 "Об утверждении гигиенических нормативов ГН 2.1.6.3492-17 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений".
Пластик PLA оказался прочным при изгибе, при растяжении и самым прочным при испытании на сжатие, образцы изделий пластика совсем не деформировались.
Одним из минусов при эксплуатации изделий из пластика полилактида является его невозможность использования при высоких температурах (от 50°C), пластик деформируется и размягчается, что больше подходит для изделий и ограниченным сроком службы.
PLA-пластик рекомендуется использовать для печати больших прототипов изделий, макетов, образцов и т.д. в отличие от ABS-пластика. Имея принтер больших размеров, можно напечатать изделие соответствующих больших размеров, деталь будет иметь более качественный и завершенный вид, а также более четкую детализацию.
Основным рекомендуемым способом утилизации биоразлагаемого пластика полилактида является метод компостирования, аэробный или анаэробный. Выкидывать использованный полилактид вместе с остальным бытовым мусором не рекомендуется. Полное биоразложение пластика при высокой температуре может произойти за 15 дней. При утилизации биоразлагаемых пластиков методом сжигания не выделяются вредные вещества, в отличие от пластиков на основе нефти. Полилактид является экологически чистым возобновляемым материалом.
Увеличение объемов печати некоторых изделий пластиком полилактидом в ООО «Прототип» с 5% до 20% существенно сэкономит затраты предприятия.
