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摘要：塑料因其质轻、便携、廉价而在人们的日常生活中被广泛应用。其中，聚对苯二甲酸乙二酯（PET）具有阻隔性好、成本低、质量轻、强度高、安全性高等优点，非常适合用于瓶装水、饮料的包装，在饮料包装行业得到了广泛应用，给人们生活带来许多方便，但是由于PET瓶多为一次性使用，随着各种PET包装瓶的大量丢弃，由此而造成的白色污染问题也日益严重。因此本研究设计制作了一种PET瓶制作3D打印耗材装置，利用PET材质本身的热塑性质实现了塑料瓶的回收再利用，将塑料瓶回收制作3D打印耗材既可以保护环境，也做到了废物利用，同时减低了PET材质3D打印的成本，有利于促进循环经济发展，推动回收塑料高值应用。

关键词：塑料回收；环保行业；PET；温度控制

1引言

PET（PolyEthylene Terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯）是应用最广泛的塑料之一，它具有良好的延展性，透明度高、安全性好，而且具有较好的环保节能性，生产能耗仅为玻璃瓶的41%～64%，非常适合用于饮料的包装[1]。但这些塑料制品很多都用于一次性用品的生产，同时在生产和消费之后产生的塑料废弃物可在环境中残留数百年之久，由此而造成的白色污染问题日积月累，给环境的保护带来了巨大的压力[2-4]。联合国环境规划署2021年发布的报告显示：1950—2017年期间，全球累计生产约92亿吨塑料，其中，有79%被填埋或进入自然环境，12%被焚烧，仅有9%的塑料废弃物被回收利用[5]。2021年，国家发改委、生态环境部印发《“十四五”塑料污染治理行动方案》，提出加快推进塑料废弃物规范回收利用和处置，这也是“十四五”时期塑料污染治理的重要路径之一[6]。因此，迫切需要减少全球塑料产量，提高塑料的利用率及回收效率。

但现有的PET塑料瓶的回收通常是与其他PET塑料一同切割，重新造粒，不仅过程复杂，而且过程还会产生废气污染和能源损耗[7]。因此随着PET瓶的广泛使用，研究废弃PET瓶的综合回收再生利用问题具有十分重要的意义。如何更有效、更充分地使用这部分资源，减少二次利用的污染，已成为国内外研究人员关注的焦点问题之一。因此本研究设计制作了一种PET瓶制作3D打印耗材装置，利用PET材质本身的热塑性质实现了塑料瓶的回收再利用，将塑料瓶回收制作3D打印耗材既可以保护环境，也做到了废物利用，同时减低了PET材质3D打印的成本，有利于促进循环经济发展推动回收塑料高值应用。

2系统结构及原理

2.1系统整体结构

本系统的结构主要包括一个条形切割器、一个加热和冷却装置，以及送料和收集装置。其整体运行流程如图1所示，该过程利用了PET材料的循环使用特性，PET材料的熔点在250至255℃，在70°C时变软，冷却后固化。其中条形切割器将塑料瓶切割成宽度一致的塑料片，送料装置将塑料片送到加热台，加热铝块将其加热融化并通过喷嘴挤出细丝，同时冷却装置处的风扇辅助其降温固化。收集装置将固化后的PET细丝卷起成束。

2.2系统结构设计要求

为了实现上述系统的流程，该系统需要同时实现多项功能，包括控制系统、温度控制系统，电机控制系统。系统的整体结构示意图如图2所示。其中，中央控制系统负责整体系统的控制，执行温度数据的处理和分析并控制电机协同工作；电机控制系统包括有步进电机和驱动器，实现系统的精细控制；温度控制系统通过温度传感器接收温度信息并通过串口将温度数据发送给控制系统。显示系统接收控制器的信号，并通过LCD显示屏显示当前的系统温度和系统运行状态。

2.3系统硬件选型

（1）主控模块：树莓派4B是一款的单板计算机，它拥有1.5GHz的四核64位ARM Cortex-A72处理器、4GB LPDDR4内存。此外，它还可以通过GPIO接口连接传感器、执行器等外设，扩展其功能，为系统提供更加灵活的应用方案[7]。因此，本文将其作为系统的主控模块，能够有效降低系统的开发难度。

（2）温度传感器：本系统采用XY-T01温度控制器进行温度的测量，通过NTC10K/B3950热敏电阻将温度信息转换为电子信息，并通过RX、TX端口进行串口通信将数据传输到树莓派。主要的串口控制命令如表1所示：

（3）温度控制器：由于树莓派无法单独执行大功率的温度加热任务，因此需要将输出的PWM波转换为对应的电压和电流才能实现系统的温度控制，XY-GMOS模块可以进行温度的控制，该模块接受单片机的PWM控制信号并将其驱动为对应的大电流，其能够接受0-2.5kHz的PWM信号，实现10A的持续电流，同时通过光耦隔离高低压电路，保护系统安全[8]。

（4）电机驱动器：本文使用A4988驱动器作为步进电机的驱动模块，A4988驱动器采用了微步技术，能够实现高精度的步进控制，提高了电机的运行平稳性和精度。同时，其还具有过压、欠压、过温保护等保护功能，保护了系统的安全性。

三、系统软件设计

本项目使用PyCharm编程软件进行程序的编写，使用SSH进行树莓派的远程调试，温度传感器数据通过串口RX、TX端口进行数据的发送。使用serial模块设置串行连接的波特率、字节大小、校验位等参数，并使用read和write方法来读取和写入数据，建立树莓派与传感器的通讯，实现温度的读取。当温度达到预设值时，树莓派断开或降低输出功率，同时设定一定的回差来避免温度读取的误差。

主程序的运行流程如图3所示：首先初始化串口获取温度传感器数据，然后根据使用PID算法[9]对温度进行调节，当温度达到预设温度后开启电机对融化的材料进行收集，直到所有材料都已经收集完毕，关闭电机和温度传感模块。

为了实现系统温度、电机速度、时间等信息的监控，使用PyQt开发出可视化界面。PyQt是一个基于Python的GUI（图形用户界面）工具包，用于开发交互式应用程序。它结合了Qt框架的强大功能和Python语言的简洁性，为开发者提供了创建丰富、功能强大的图形界面的便利，有利于构建用户友好的应用程序。图4为基于PyQt的程序界面的代码图。

四、实验结果与分析

本研究设计的系统以 Raspberry 4B 4GB开发板为硬件平台并以 python 语言为基础结合PyQt实现。在系统进行实验测试之前，为树莓派中烧录Raspberry Pi OS系统。系统烧录完成后，还需要对树莓派开发板进行运行环境的搭建，安装PyQt、numpy等依赖库。将编译完成的程序添加到开机启动项，然后按照程序设定连接好电路后运行程序。程序的界面如下图所示：

实验过程中首先开启温度控制，直至温度达到预设温度后，将塑料条通过挤压器输入到挤出机中，通过挤出机得到直径均匀的塑料丝，在冷却风扇的辅助下迅速冷却固化，随后由预先设定速度的步进电机驱动收集器将其收集成束。直至完全冷却后将其做为耗材输入到3D打印机中，打印长为2.00cm的立方体，通过游标卡尺实测得到立方体的长度为1.98cm，即实验耗材的误差在1%左右。

五、总结

本研究设计了一种PET瓶制作3D打印耗材的装置，并使用树莓派实现了对温度、速度等关键系统参数的控制，同时基于PyQt开发了可视化界面，使系统更易于调试和控制。本项目利用了PET材料可重复使用的特性，对PET瓶这种使用数量大、规格一致性强的物品进行针对性设计，实现了PET瓶的重新切割热塑，制作打印细丝，既实现了废物利用，同时又减低了PET材质3D打印的使用成本，有利于提高废弃PET瓶的综合回收再生利用率，推动回收塑料的高价值应用。

参考文献

[1]邹亮，杨继红，黄开旭等.酒类包装用PET吸塑制品及其常用卷材的耐候性研究[J].橡塑技术与装备，2022，48（11）：29-32.DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2022.11.006.

[2]许铭宇.湿地生态系统中微塑料污染及迁移转化研究进展[J].湿地科学与管理，2023，19（04）：92-96.

[3]骆永明，周倩，章海波等.重视土壤中微塑料污染研究  防范生态与食物链风险[J].中国科学院院刊，2018，33（10）：1021-1030.DOI：10.16418/j.issn.1000-3045.2018.10.003.

[4]MacLeod M， Arp H P H， Tekman M B， et al. The global threat from plastic pollution[J]. Science， 2021， 373（6550）： 61-65.

[5]陈伟强， 简小枚， 汪鹏， 等. 全球塑料循环体系演化与我国的应对策略[J]. 资源再生， 2020， 1： 38-39.

[6].“十四五”塑料污染治理行动方案颁布[J].中国包装，2021，41（10）：20.

[7]Ghael H D， Solanki L， Sahu G. A review paper on raspberry Pi and its applications[J]. International Journal of Advances in Engineering and Management （IJAEM）， 2020， 2（12）： 4.

[8]陆泉森，李军，鲍鸿.光耦隔离技术在智能测控系统中的应用[J].机械与电子，2008（02）：53-56.

[9]Borase R P， Maghade D K， Sondkar S Y， et al. A review of PID control， tuning methods and applications[J]. International Journal of Dynamics and Control， 2021， 9： 818-827.

作者简介：

叶镇霆（2009.5），男，汉族，浙江东阳，初中在读，重庆市南开两江中学校，401135。

田震（1976.9），男，汉族，四川遂宁，本科，重庆市南开两江中学校，中学一级教师，人工智能，401135。

龙城*（1996.8），男，汉族，四川南充，研究生，重庆市南开两江中学校，无，物理化学，401135。

本文系2023年重庆市渝北区科普项目“科创智造：校长引领计划——助推中学创新人才培养（项目编号：20230801）”、重庆市教育科学“十四五”规划2021年度一般课题“新时代中学劳动教育STEAM课程实践研究”（项目批准号：2021-07-543）阶段性成果之一。