DE102021001368A1

DE102021001368A1 - Process and device for granulating recycling materials for 3D printing

Info

Publication number: DE102021001368A1
Application number: DE102021001368.9A
Authority: DE
Inventors: Sascha Andreas Reinke; Marvin Carbuhn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2022-09-22

Abstract

Das Recycling von Kunststoffen im Weltall ist möglich, stoßt aber bei der Vorberitung der Materialien für die Wiederverwertung an technische Grenzen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll dazu dienen, störende Beschleunigungen zu unterbinden und ein Schmelzen von Recyclingstoffen unter den besonderen Voraussetzungen der Schwerelosigkeit zu ermöglichen. Dazu wird erfindungsgemäß ein Laser vorgeschlagen, der das zu recycelnde Material einschmilzt und granuliert. Weiterhin wird ein Verfahren unter Anwendung der Vorrichtung vorgestellt.Recycling plastics in space is possible, but there are technical limitations in preparing the materials for recycling. The device according to the invention is intended to prevent disruptive accelerations and to enable recycling materials to be melted under the special conditions of weightlessness. For this purpose, a laser is proposed according to the invention, which melts and granulates the material to be recycled. Furthermore, a method using the device is presented.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Wiederverwerten von Materialien, insbesondere Kunststoffen in der Schwerelosigkeit und eine Vorrichtung dazu.The present invention relates to a method for recycling materials, in particular plastics, in zero gravity and a device therefor.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Weltraum ist derzeit mit über 750.000 Teilen belastet, die ca. 6 500 Tonnen schweren Schrott ergeben. Besonders mittel- und langfristig gesehen, wird sich das Problem stark verschärfen. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei große Objekte im Orbit kollidieren und somit weitere Splitter und Trümmer hervorrufen, diese wiederum weitere Kollisionen und letztendlich eine Kettenreaktion auslösen, wird immer höher. Ein solches Risiko kann zum Beispiel durch nicht verwendbare Raketenteile, Satelliten, Trümmerstücke, Werkzeuge oder generellen Abfall der Astronauten entstehen. Dieses minimiert nicht nur das Nutzungspotenzial, sondern erhöht auch die Gefahr mit einem dieser Bruchstücke zusammenzustoßen, sowohl für die Raketen und Astronauten im Weltall, als auch für die Menschen auf der Erde. Es vervielfachen sich die Ausfälle der technischen Geräte beziehungsweise der Satelliten, die eine bedeutende Rolle auf der Erde für die Navigation und Kommunikation spielen.Space is currently polluted with over 750,000 parts, resulting in around 6,500 tons of scrap. In the medium and long term in particular, the problem will become much worse. The likelihood of two large objects colliding in orbit is increasing, creating more fragments and debris, which in turn will cause more collisions and ultimately a chain reaction. Such a risk can arise, for example, from unusable rocket parts, satellites, pieces of debris, tools or general waste from the astronauts. This not only minimizes the potential for use, but also increases the danger of colliding with one of these fragments, both for rockets and astronauts in space and for people on earth. The failures of technical equipment and satellites, which play an important role on earth for navigation and communication, are multiplying.

Der Müll, so gefährlich und verbraucht dieser auch ist, erhält im Weltraum einen besonderen Wert und macht ihn zu einem sehr teuren Rohstoff. Denn dieses Material, was nun seine Verwendungszwecke erfüllt hat, musste zuvor ins All geschafft werden, was bereits Kosten verursacht hat. Die Kosten für die Beförderung eines Kilogramms belaufen sich aktuell auf 10.000 Dollar, mit steigender Tendenz. Dazu kommt das Problem der Ersatzteile im Weltraum. Diese sind nur begrenzt oder gar nicht vorhanden. Ersatzteile nehmen viel Lagerplatz ein oder müssen geliefert werden, was erhebliche Kosten und sehr viel Zeit beansprucht. Dies führt zu Einschränkung Reparaturmöglichkeiten.Garbage, no matter how dangerous and used it is, acquires a special value in space and makes it a very expensive raw material. Because this material, which has now fulfilled its intended purpose, had to be sent into space beforehand, which has already caused costs. The cost of moving one kilogram is currently $10,000, and the trend is rising. Then there is the problem of spare parts in space. These are limited or non-existent. Spare parts take up a lot of storage space or have to be delivered, which requires considerable costs and a lot of time. This leads to limitation of repair options.

Daher wurde über ein umfangreiches Materialrecycling im Weltraum nachgedacht, das jedoch an seine Grenzen stößt. Neben den zahlreichen Metallen, Magnesium-Beryllium-Teilen, grafitverstärkten Kunststoffen und Mylarfolien, die als Satellitenschrott durch das Weltall wandern, kommen noch andere Abfälle vor. Dazu zählt zu einem großen Teil auch der Müll der ISS, der ein ähnliches Spektrum wie auf der Erde aufweist und bisher mit den Transportkapseln zusammen durch das Verglühen entsorgt wurde. Dazu gehören z.B. verschmutzte Kleidung, Abfälle organischer Art, gebrauchte Reinigungstücher, Abwasser und nicht mehr benötigte Hardware für Experimente. So wurden 3D-Drucker entwickelt, die aus Recycling gewonnene Kunststoffe in Filament-Form dem Druck zuführen. Dafür darf gattungsbildend die Schrift EP 3 238 916 A1 als Stand der Technik genannt werden. Die dort verwendeten Filamente können allerdings nicht ohne Weiteres in der Schwerelosigkeit genutzt werden, bzw. sind dort so nicht als Rohmaterialverfügbar. Sie bedürfen einer Vorbereitung oder der teuren Zulieferung.Therefore, extensive material recycling in space was considered, but this is reaching its limits. In addition to the numerous metals, magnesium-beryllium parts, graphite-reinforced plastics and mylar foils that travel through space as satellite debris, there are other types of waste. This also includes a large part of the waste from the ISS, which has a spectrum similar to that on Earth and was previously disposed of together with the transport capsules by burning up. This includes, for example, soiled clothing, organic waste, used cleaning cloths, waste water and experimental hardware that is no longer required. For example, 3D printers have been developed that print from plastics obtained from recycling in filament form. For this, the typeface is allowed to form the genre EP 3 238 916 A1 be cited as state of the art. However, the filaments used there cannot easily be used in weightlessness, or are not available there as raw material. They require preparation or expensive subcontracting.

Ein relevantes Abfallprodukt sind die Verpackungen der Vorrichtungen für Experimente. Die Verpackungen bestehen aus Polyethylen und sind aus Gründen der Belastbarkeit beim Raketenstart und des Brandschutzes standardisiert. Zur Gewichtsersparnis ist das Polyethylen mit Stickstoff leicht aufgeschäumt. Es ist kaum verunreinigt und kann bereits bei geringen Temperaturen eingeschmolzen und weiterverarbeitet werden. Zurzeit hat man keine weiteren Verwendungszwecke für das Material und schickt es mit Transportkapsel in Richtung Erde zurück. Es verglüht schließlich in der Erdatmosphäre.A relevant waste product is the packaging of the devices for experiments. The packaging is made of polyethylene and is standardized for reasons of rocket launch strength and fire safety. To save weight, the polyethylene is slightly foamed with nitrogen. It is hardly contaminated and can be melted down and further processed at low temperatures. There is currently no further use for the material and it is being sent back to Earth in a transport capsule. It eventually burns up in Earth's atmosphere.

In der Schrift DE 10 2018 002 067 A1 wird ein Verfahren zum Verarbeiten von Kunststoffen zu Grundstoffen für den 3D-Druck vorgestellt. Dabei werden die zuvor beschriebenen Wertstoffe zerkleinert und unter Druck zum Schmelzen gebracht. Insbesondere das Zerkleinern ist innerhalb der Raumstationen mit erhöhten Schwierigkeiten verbunden. So können Rotationsbewegungen oder Stampfen beim Zerkleinern die Elektronik der Raumstation gefährden. Zum Schmelzen kann auch kein Ofen verwendet werden, da dieser in der Schwerelosigkeit nicht funktioniert.In Scripture DE 10 2018 002 067 A1 a process for processing plastics into raw materials for 3D printing is presented. The recyclable materials described above are crushed and melted under pressure. Crushing, in particular, is associated with increased difficulties within the space stations. Rotational movements or pounding during crushing can endanger the electronics of the space station. Also, a furnace cannot be used for smelting, as it does not work in zero gravity.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren bereitzustellen, mit dem Recyclingstoffe für den 3D-Druck granuliert werden, und weiterhin eine Vorrichtung bereitzustellen, die zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist.The invention is therefore based on the object of providing a method with which recycling materials for 3D printing are granulated and furthermore of providing a device which is suitable for carrying out this method.

Die Lösung der Verfahrens-Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei die Unteransprüche 2 und 3 weitere Ausgestaltungen beschreiben. Die Lösung der Aufgabe bezüglich der Vorrichtung erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 4, wobei die Unteransprüche 5 bis 8 weitere Ausgestaltungen beschreiben.The method task is solved with the features of claim 1, with the dependent claims 2 and 3 describing further configurations. The object relating to the device is solved with the features of claim 4, with the subclaims 5 to 8 describing further configurations.

Zur Durchführung des Verfahrens zum Wiederverwerten von Material, insbesondere Kunststoff, in der Schwerelosigkeit, bei dem ein granulierter Recyclingstoff für den 3D-Druck entsteht, wird zunächst das zu recycelnde Material, insbesondere Kunststoff in einen Bearbeitungsraum eingegeben. Dann erfolgt ein Aufschmelzen des Materials, insbesondere Kunststoffs mittels eines einen Laserstrahl abgebenden Lasers. Um dies zu erreichen, müssen Material und Laserstrahl relativ zueinander bewegt werden. Zuletzt wird das im Schmelzprozess anfallende Granulat ausgefällt. Die Verwendung eines Lasers ist deshalb ausreichend, weil auch bei vergleichsweise geringen Intensitäten des Lasers gute Schmelzergebnisse erreicht werden. Die Bewegung von Laserstrahl und Material zueinander kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, so z.B. der Laser gegenüber dem Material oder das Material gegenüber dem Laser, jede Bewegung ist aber auch in der Schwerelosigkeit problemfrei möglich, so dass das gewünschte Resultat auch im Weltall erreicht werden kann.To carry out the method for recycling material, in particular plastic, in zero gravity, in which a granulated recycling material for 3D printing is produced, the material to be recycled, in particular plastic, is first entered into a processing room. The material, in particular plastic, is then melted by means of a laser that emits a laser beam. In order to achieve this, the material and the laser beam have to be moved relative to each other will. Finally, the granulate that accumulates in the melting process is precipitated. The use of a laser is sufficient because good melting results are achieved even with comparatively low intensities of the laser. The laser beam and material can move in relation to each other in different ways, e.g. the laser in relation to the material or the material in relation to the laser, but every movement is also possible in weightlessness without any problems, so that the desired result can also be achieved in space.

In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach der Eingabe des Materials, insbesondere Kunststoffes die Form des eingegebenen Materials, insbesondere Kunststoffes ermittelt. Dieses kann z.B. mechanisch oder optisch erfolgen. Damit können sowohl Rückschlüsse auf die Ertragsmenge möglich als auch die Bewegung von Laserstrahl und Material zueinander auf das notwendige Minimum beschränkt werden.In a particular embodiment of the method according to the invention, the shape of the input material, in particular plastic, is determined after the input of the material, in particular plastic. This can be done mechanically or optically, for example. This allows conclusions to be drawn about the yield and the movement of the laser beam and material relative to each other can be limited to the necessary minimum.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ergebnis der Feststellung der Form des Materials, insbesondere Kunststoffes genutzt, um ein Bewegungsmuster des Laserstrahls festzulegen. So kann ein schicht- oder scheibenweises Abtragen erreicht werden, je nach dem, welche Form der Abtragung das beste Schmelzergebnis erwarten lässt.According to a further embodiment of the method according to the invention, the result of the determination of the shape of the material, in particular plastic, is used to define a movement pattern of the laser beam. In this way, removal can be achieved in layers or slices, depending on which form of removal promises the best melting result.

Die Vorrichtung zur Nutzung des beschriebenen Verfahrens umfasst einen Bearbeitungsraum mit einer Materialzuführung und einer Materialabgabe. Sie ist durch einen im Bearbeitungsraum angeordneten, einen Laserstrahl abgebenden Laser gekennzeichnet. Laserstrahl und in den Bearbeitungsraum zugeführtes Material, insbesondere Kunststoff sind dabei relativ zu einander beweglich. So kann ein Materialträger gegenüber dem festen Laserstrahl verfahren werden, der Laser, der den Laserstrahl erzeugt, kann aber auch gegenüber dem Material verfahren werden. Hierfür können Motoren vorgesehen sein.The device for using the method described includes a processing space with a material feed and a material discharge. It is characterized by a laser that is arranged in the processing room and emits a laser beam. The laser beam and the material fed into the processing space, in particular plastic, can be moved relative to one another. A material carrier can be moved in relation to the fixed laser beam, but the laser that generates the laser beam can also be moved in relation to the material. Motors can be provided for this.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung weist diese eine Steuerungseinheit auf, welche derart ausgestaltet ist, dass sie eine relative Bewegung zwischen Material, insbesondere Kunststoff und Laserstrahl ermöglicht. So kann die Steuerungseinheit z.B. ein schrittweises Bewegen einer Komponente gegenüber der anderen vorgeben, wobei die Größe des zu schmelzenden Materials eine Bestimmungsgröße für die Prozessgeschwindigkeit ist.According to a further embodiment of the device, it has a control unit which is designed in such a way that it enables a relative movement between the material, in particular plastic, and the laser beam. For example, the control unit can specify incremental movement of one component relative to the other, with the size of the material to be melted being a determinant of the process speed.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Kamera auf. Dieses ist die einfachste Möglichkeit, die Form des Materials schnell und berührungslos zu erfassen. Mit der Steuerungseinheit kann das Bild in Daten für die Steuerung des Schmelzvorgangs umgesetzt werden. Die Datenprüfung kann auch während des Schmelzvorganges regelmäßig wiederholt werden.According to a further embodiment of the device according to the invention, the device has a camera. This is the easiest way to capture the shape of the material quickly and without contact. With the control unit, the image can be converted into data for controlling the melting process. The data check can also be repeated regularly during the melting process.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Laser und Material, insbesondere Kunststoff positionstreu in der Vorrichtung angeordnet. Die Vorrichtung weist jedoch im Strahlengang des Laserstrahls ein aus wenigstens zwei Spiegeln bestehendes Spiegelsystem auf, welches der Ablenkung des Laserstrahls zur relativen Bewegung des Laserstrahls gegenüber dem Material, insbesondere Kunststoffes dient. Dies vereinfacht die Ausführung der Vorrichtung, da weder der Materialträger für das Recycling-Material noch der Laser bewegt werden müssen. Man lenkt auf Basis der erzeugten Daten einfach den Laserstrahl durch Spiegel auf eine gewünschte Stelle. Vorzugsweise werden Spiegel mit Aluminiumbeschichtung verwendet, um eine Umlenkung eines Laserstrahls zu bewirken.In a particularly preferred embodiment of the device according to the invention, the laser and the material, in particular plastic, are arranged in the device in the correct position. However, in the beam path of the laser beam, the device has a mirror system consisting of at least two mirrors, which is used to deflect the laser beam for the relative movement of the laser beam with respect to the material, in particular plastic. This simplifies the design of the device since neither the material carrier for the recycling material nor the laser have to be moved. Based on the data generated, the laser beam is simply directed to a desired location using mirrors. Aluminum-coated mirrors are preferably used in order to deflect a laser beam.

Zur Anhebung der Verarbeitungsgeschwindigkeit und -präzision weist nach einer weiteren Ausgestaltung die erfindungsgemäßen Vorrichtung Schrittmotoren an den Spiegeln aufweist. Diese bewirken, dass ein zeilen- und spaltenweises Abtragen des Recycling-Materials erreicht wird.In order to increase the processing speed and precision, according to a further embodiment, the device according to the invention has stepping motors on the mirrors. These ensure that the recycling material is removed in rows and columns.

Figurenlistecharacter list

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu zeigen

1 eine schematische Gesamtschau der Vorrichtung und
2 einen Schnitt durch das den Laserstrahl abgebende Gerät.

The invention is explained using an exemplary embodiment. show this

1 a schematic overview of the device and
2 a cut through the device emitting the laser beam.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gezeigt, wie sie im Weltraum zu Einsatz kommen könnte. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Bearbeitungsraum 2, der eine Materialzufuhr 3 und eine Materialabgabe 4 aufweist. Durch die Materialzufuhr 3 kann Material 7 manuell oder maschinell zugeführt werden. Das Material wird auf einem Materialtisch 14 abgelegt, der auf einem Materialträger 15 ruht. Abgeschmolzenes und granuliertes Material 7 kann dann vom Materialtisch 14 oder durch Öffnungen im Materialtisch 14 hindurch in Richtung der Materialabgabe 4 abgenommen werden. Im Bearbeitungsraum 2 ist an einem Geräteträger 12 über eine daran angeordnete Trägerstange 13 ein Gerät angeordnet, das einen Laser 6 und eine Kamera 9 aufweist. Zudem ist hier eine Steuerungseinheit 8 angeordnet, über die der Laser 6 und die Kamera 9 angesteuert und Kameradaten verarbeitet werden. Die Kamera 9 ist so ausgerichtet und im Kameraöffnungswinkel 10 so eingestellt, dass das Material 7 auf dem Materialtisch 14 erfasst werden kann. Der Laser 6 ist so angeordnet, dass der von ihm abgegebenen Laserstrahl 5 auf das Material 7 gerichtet werden kann. Dazu können Schrittmotoren 11 dienen, die im Laserstrahl 5 angeordnete, hier nicht dargestellte Spiegel 16 verstellen.In 1 a device 1 according to the invention is shown, as could be used in space. The device 1 comprises a processing space 2 which has a material feed 3 and a material discharge 4 . Material 7 can be fed manually or mechanically through the material feed 3 . The material is laid down on a material table 14 which rests on a material carrier 15 . Melted and granulated material 7 can then be removed from the material table 14 or through openings in the material table 14 in the direction of material delivery 4 . In the processing room 2 a device is arranged on a device carrier 12 via a carrier rod 13 arranged thereon, which device has a laser 6 and a camera 9 . In addition, a control unit 8 is arranged here, via which the laser 6 and the camera 9 are controlled and camera data are processed. The camera 9 is aligned and adjusted in the camera opening angle 10 so that the material 7 on the material table 14 can be detected. The laser 6 is arranged in such a way that the laser beam 5 emitted by it can be directed onto the material 7 . Stepper motors 11 can be used for this purpose, which adjust mirrors 16 (not shown here) arranged in laser beam 5 .

Das zuvor angeführte Gerät ist in 2 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Es weist die Steuerungseinheit 8 und eine Kamera 9 auf. Zudem ist ein Laser 6 angeordnet, der einen Laserstrahl 5 abgeben kann. Dieser trifft bei Abgabe zunächst auf einen ersten Spiegel 16, der den Laserstrahl 5 im Bild nach oben ablenkt, und dann auf einen zweiten Spiegel 16, der den Laserstrahl 5 in Blickrichtung der Kamera 9 umlenkt. Die Spiegel sind in Spiegelhaltern 17 gehaltert und von Schrittmotoren 11 bewegt.The device listed above is in 2 shown in a sectional view. It has the control unit 8 and a camera 9 . In addition, a laser 6 is arranged, which can emit a laser beam 5 . When it is emitted, this first hits a first mirror 16, which deflects the laser beam 5 upwards in the image, and then hits a second mirror 16, which deflects the laser beam 5 in the viewing direction of the camera 9. The mirrors are held in mirror holders 17 and are moved by stepper motors 11 .

BezugszeichenlisteReference List

11: Vorrichtungcontraption
22: Bearbeitungsraumprocessing room
33: Materialzufuhrmaterial feed
44: Materialabgabematerial delivery
55: Laserstrahllaser beam
66: Laserlaser
77: Materialmaterial
88th: Steuerungseinheitcontrol unit
99: Kameracamera
1010: Kameraöffnungswinkelcamera opening angle
1111: Schrittmotorstepper motor
1212: Geräteträgerequipment carrier
1313: Trägerstangesupport bar
1414: Materialtischmaterial table
1515: Materialträgermaterial carrier
1616: Spiegelmirror
1717: Spiegelhaltermirror holder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 3238916 A1 [0004]
DE 102018002067 A1 [0006]

Claims

Process for granulating recycling materials for 3D printing, comprising the process steps - Entering material (7), in particular plastic in a processing room (2), - Melting of the material (7), in particular plastic, into granules by means of a laser beam (5) emitting laser (6), wherein the material (7) and laser beam (5) are moved relative to each other - precipitation of the granules.

procedure after claim 1 , characterized in that after the input of the material (7), in particular plastic, the shape of the input material (7), in particular plastic, is determined.

procedure after claim 2 , characterized in that after determining the shape of the material (7), in particular plastic, a movement pattern of the laser beam (5) is defined.

Device (1) for use in the method according to one of Claims 1 until 3 , comprising a processing space (2) with a material feed (3) and a material discharge (4), characterized in that a laser beam (5) emitting laser (6) is arranged in the processing space (2), and laser beam (5) and in material (7), in particular plastic, fed to the processing space (2) can be moved relative to one another.

Device (1) after claim 4 , characterized in that it has a control unit (8) which is designed in such a way that it specifies a relative movement between the material (7), in particular plastic, and the laser beam (5).

Device (1) after claim 4 or 5 , characterized in that the device has a camera (9).

Device (1) according to claims 4 until 6 , characterized in that the laser (6) and material (5), in particular plastic, are arranged in the device (1) with the correct position and the device (1) in the laser beam (5) has a mirror system consisting of at least two mirrors (16) which serves to deflect the laser beam (5) to move the laser beam (5) relative to the material (7), in particular plastic.

Device (1) according to one of Claims 4 until 7 , characterized in that the device has stepping motors (11) on the mirrors (16).