The use of shredded car windscreen waste as reinforcement of thermoplastic composites for 3D (FDM) printing

• Autorzy: Olesik Piotr , Kozioł Mateusz , Konik Daria , Jała Jakub

Warianty tytułu

PL

Wykorzystanie rozdrobnionych odpadów szyb samochodowych jako wzmocnienia kompozytów termoplastycznych przeznaczonych do druku 3D (FDM)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The work presents preliminary attempts to create a filament for 3D printing (FDM technique) based on a low density polyethylene (LDPE) composite reinforced with shredded windscreen glass. The glass powder was obtained by grinding windscreen glass wastes. PVB (polyvinyl butyral), which is an integral part of safety glass car windscreens, was not removed from the obtained powder. The obtained powder had a range of grain diameters 90÷160 µm. The powder was then mixed mechanically and in an ultrasonic chamber with LDPE granulate. The composites were made by extrusion with one regranulation cycle. The filament for FDM printing was produced by extrusion winding with cooling in open air. A filament with a diameter of 1.45±0.05 mm was obtained. The produced filaments were subjected to a static tension test and SHORE hardness tests. In order to compare the material, the maximum stress recorded at 50% elongation was determined for each tested material. It was observed that along with the increase in the glass content, the strength of the filament decreased slightly. The basic stage in evaluation of the produced materials was to carry out trial prints on an FDM printer. The printing temperature was selected experimentally during a series of trials. The best results were obtained at the print temperature of 250°C and table temperature of 90°C. During printing, an unfavorable effect of filament bending was observed in the printer, below the supplying roller. This effect occurred during printing at a supply speed of more than 1 mm/s. Special additional printing tests with supply rates below 1 mm/s were carried out. This made the printing possible, and it showed the evident superiority of the composites over the neat LDPE. The problem with the stability of filament supply during printing was partially solved by mechanical stiffening of the line between the rollers, using specially printed inserts. The trial prints made from the tested composites occurred to be of better quality than those from the neat LDPE. They show less deformation caused by shrinkage. These effects result from stiffening of the material caused by the addition of hard glass particles. It was found that an addition of a minimum of 30% of the glass particles is required to have a significant effect on the LDPE stiffness.

PL

Przedstawiono wstępne próby wytworzenia filamentu do druku FDM na bazie kompozytu LDPE wzmocnionego rozdrobnionym szkłem z szyb samochodowych. Osnową badanych kompozytów był polietylen niskiej gęstości (LDPE). Jako wzmocnienie zastosowano proszek szklany uzyskany poprzez zmielenie stłuczki z windscreen-glass. Z uzyskanego proszku nie usuwano foli PVB, która jest integralną częścią bezpiecznych car windscreens. Uzyskany proszek miał zakres średnic ziaren 90÷160 µm. Proszek został następnie zmieszany z granulatem LDPE, mechanicznie oraz w komorze ultradźwiękowej. Kompozyty wytworzono metodą wytłaczania z jednorazową regranulacją. Filament do druku FDM wytwarzano metodą wytłaczanianawijania z chłodzeniem na wolnym powietrzu. Uzyskano filament o średnicy 1,45±0,05 mm. Wytworzone filamenty zostały poddane próbie statycznego rozciągania oraz próbom twardości metodą Shore'a. W celu porównania materiału wyznaczano maksymalne naprężenia zarejestrowane przy wydłużeniu 50%. Zaobserwowano, że wraz ze wzrostem udziału szkła spada nieznacznie wytrzymałość filamentu. Zasadniczym etapem oceny wytworzonych materiałów było przeprowadzenie próbnych wydruków na drukarce FDM. Temperaturę drukowania dobierano eksperymentalnie w ramach serii prób. Najlepsze efekty uzyskano przy temperaturze druku 250°C i temperaturze stołu 90°C. W trakcie drukowania zaobserwowano niekorzystny efekt wyginania się filamentu w drukarce, poniżej rolki podającej. Efekt ten występował przy drukowaniu z prędkością podawania większą niż 1 mm/s. Zastosowano specjalne dodatkowe próby drukowania z prędkością podawania poniżej 1 mm/s. Umożliwiło to druk, przy czym wykazało ewidentną wyższość kompozytów nad nite LDPE. Problem ze stabilnością podawania filamentu podczas drukowania został częściowo rozwiązany poprzez mechaniczne usztywnienie żyłki między rolkami za pomocą specjalnie wydrukowanych wkładek. Wydruki próbne uzyskane dla badanych kompozytów są lepsze jakościowo niż dla nite. Wykazują mniejszą deformację wywołaną skurczem. Te efekty wynikają z usztywnienia materiału spowodowanego dodatkiem twardych cząstek szkła. Stwierdzono, że znaczący wpływ na sztywność LDPE wymaga zastosowania minimum 30% dodatku cząstek szkła.

Słowa kluczowe

EN

3D printing; FDM technique; low density polyethylene; car windscreen glass; recycling

PL

druk 3D; technika FDM; polietylen niskiej gęstości; szkło z szyb samochodowych; recykling

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 19, nr 1
• Strony: 30--33
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Olesik Piotr

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering and Metallurgy, ul. Z. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland

autor

Kozioł Mateusz

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering and Metallurgy, ul. Z. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland

autor

Konik Daria

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering and Metallurgy, ul. Z. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland

autor

Jała Jakub

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering and Metallurgy, ul. Z. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Funazaki A., Taneda K., Tahara K., Inaba A., Automobile life cycle assessment issues at end-of-life and recycling, JSAE Review 2003, 24, 381-386.
• [2] Swain B., Ryang Park J., Yoon Shin D., Park K.-S., Hwan Hong M., Gi Lee C., Recycling of waste automotive laminated glass and valorization of polyvinyl butyral through mechanochemical separation, Environmental Research 2015, 142, 615-623.
• [3] Godzierz M., Adamczyk B., Pawlik T. et al. Waste Biomass Valor 2018, DOI:10.1007/s12649-018-0464-x (access: March 2019).
• [4] Farzana R., Sahajwalla V.J., Sustain. Metall. 2015, 1(65), DOI:10.1007/s40831-014-0004-2 (access: March 2019).
• [5] Redwood B., Schoffer F., Garret B., The 3D Printing Handbook: Technologies, Design and Applications, 3D Hubs, Amsterdam 2017.
• [6] Boparai K.S., Singh R., Thermoplastic Composites for Fused Deposition Modeling Filament: Challenges and Applications, Reference Module in Materials Science and Materials Engineering 2018.
• [7] Zander N.E., Gillan M., Burckhard Z., Gardea F., Recycled polypropylene blends as novel 3D printing materials, Additive Manufacturing 2019, 25, 122-130.
• [8] Kreiger M.A., Mulder M.L., Glover A.G., Pearce J.M., Life cycle analysis of distributed recycling of post-consumer high density polyethylene for 3-D printing filament, Journal of Cleaner Production 2014, 70, 90-96.
• [9] Dydek K., Latko-Duralek P., Boczkowska A., Salacinski M., Kozera R., Carbon fiber reinforced polymers modified with thermoplastic nonwovens containing multi-walled carbon nanotubes, Composites Science and Technology 2019, 173, 110-117.
• [10] Majerski K., Surowska B., Bienias J., The comparison of effects of hygrothermal conditioning on mechanical properties of fibre metal laminates and fibre reinforced polymers, Composites Part B 2018, 142, 108-116.
• [11] Lesiuk G., Katkowski M., Correia J., de Jesus A.M.P., Blazejewski W., Fatigue crack growth rate in CFRP reinforced constructional old steel, International Journal of Structural Integrity 2018, 9, 3, 381-395.
• [12] Corrado A., Polini W., Sorrentino L., Bellini C., Geometrical deviation analysis of CFRP thin laminate assemblies: Numerical and experimental results, Composites Science and Technology 2018, 168, 1-11.
• [13] https://www.thingiverse.com/thing:1126255https://www.thingiverse.com/thing:1126255 (access: March 2019).

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).