Dise
˜
no de sistema embebido para m
´
aquina de
reciclaje de PET
Design of embedded system for recycling machine of PET
Nicol
´
as Vargas Alice
Laboratorio de Sistemas Embebidos, Facultad de Ingenier
´
ıa - UBA
Buenos Aires, Argentina
nicolas.vargas@bue.edu.ar
Resumen—En este art
´
ıculo se presenta el dise
˜
no e
implementaci
´
on de un equipo capaz de generar filamento
pl
´
astico apto para uso en impresoras 3D a partir de botellas
descartables de pl
´
astico PET. Se busc
´
o desarrollar un
dispositivo de f
´
acil implementaci
´
on, econ
´
omico y que sea
simple de controlar con el fin de ser utilizado en centros
educativos por personas sin una amplia experiencia previa.
Adem
´
as, se aporta informaci
´
on referida a la impresi
´
on 3D y
al reciclaje de pl
´
asticos.
Palabras clave: reciclaje de pl
´
asticos; impresi
´
on 3D;
PET.
Abstract— This article presents the design and implementation
of a device able to generate printer filament from bottles to
use on 3d printers. Also, it explains technical concepts as 3D
printing and recycling plastics and describes other parts of
the developed device.
Keywords: plastic recycling; 3D printing; PET.
I. INTRODUCCI
´
ON
A continuaci
´
on se enumeran los temas que involucran este
dise
˜
no y los aspectos que dieron inicio al proyecto.
A. Impresion 3D
La impresi
´
on 3D es una tecnolog
´
ıa de fabricaci
´
on por
adici
´
on donde un objeto tridimensional es creado medi-
ante la superposici
´
on de capas sucesivas de material. Esta
tecnolog
´
ıa encuentra uso en campos tales como joyer
´
ıa,
calzado, dise
˜
no industrial, arquitectura, ingenier
´
ıa y con-
strucci
´
on, industria aeroespacial, industrias m
´
edicas, edu-
caci
´
on, sistemas de informaci
´
on geogr
´
afica, ingenier
´
ıa civil
entre otros.
En la actualidad existen tres formas masivamente uti-
lizadas para imprimir en 3D: modelado por deposici
´
on
fundida (FDM) (Fig. 1), estereolitograf
´
ıa (SLA) y proce-
samiento digital de luz (DLP) [1]. Aunque todos los tipos
utilizan el proceso aditivo, existen diferencias en la forma
de construir el objeto.
B. Reciclaje de pl
´
astico
El tereftalato de polietileno, generalmente conocido como
PET, es un pol
´
ımero pl
´
astico que proviene de un proceso
de polimerizaci
´
on de
´
acido tereft
´
alico y monoetilenglicol.
Su principal uso es la fabricaci
´
on de botellas y envases y
una caracter
´
ıstica importante de mencionar es que no es un
material biodegradable [2].
De acuerdo con el
´
ultimo reporte de la OCDE (Organi-
zaci
´
on para la Cooperaci
´
on y el Desarrollo Econ
´
omicos) [3],
Fig. 1. Proceso de construcci
´
on 3D por deposici
´
on fundida.
el mundo produce el doble de residuos pl
´
asticos que hace
dos d
´
ecadas [4].
La producci
´
on mundial de pl
´
astico a partir su reciclado
se ha cuadruplicado, pasando de 6,8 millones de toneladas
(Mtn) en el a
˜
no 2000 a 29,1 Mtn en el a
˜
no 2019, pero a
´
un
representa s
´
olo el 6% del volumen de la producci
´
on total de
pl
´
astico [5].
II. MOTIVACI
´
ON Y OBJETIVOS
En reuniones con directores y docentes de distintas insti-
tuciones educativas de nivel primario y secundario de todo el
pa
´
ıs, se expresaron las ventajas que trae el desarrollo 3D en
la educaci
´
on. Sin embargo, varios integrantes manifiestan la
falta de material de fabricaci
´
on para utilizar las impresoras
3D ya instaladas.
Al mismo tiempo que se plantea esta problem
´
atica, en
las escuelas existen campa
˜
nas de concientizaci
´
on sobre la
ecolog
´
ıa y el cuidado del medio ambiente. Mediante un
desarrollo innovador, se encontr
´
o una forma de generar la
materia prima faltante que permita el uso de estos equipos,
la cual al mismo tiempo revaloriza la recolecci
´
on de botellas
plasticas y el reciclaje.
A partir de los indicadores sobre la cantidad de botellas
pl
´
asticas desechadas en el pais [6] y las problematicas en las
instituciones educativas que se comentaron anteriormente,
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Recibido: 14/04/23; Aceptado: 06/06/23
Creative Commons License - Attribution-NonCommercial-
NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.7.1.179.2023
Student Article
el objetivo principal propuesto fue el desarrollo del sistema
de control de una m
´
aquina recicladora de botellas pl
´
asticas
tipo PET. Este sistema debe ser capaz de controlar la
transformaci
´
on del pl
´
astico reciclado en filamento para uso
en impresoras 3D del tipo FDM. Como objetivo comple-
mentario se busc
´
o trabajar con elementos tanto electr
´
onicos
como mec
´
anicos que pudieran hallarse sin dificulad en el
mercado local. Al mismo tiempo el desarrollo de un sistema
f
´
acil de implementar permitir
´
ıa que el dispositivo pueda ser
replicado por personas sin amplios conocimientos t
´
ecnicos.
III. DISE
˜
NO E IMPLEMENTACI
´
ON
A continuaci
´
on se enumeran los elementos que componen
esta implementaci
´
on y los criterios de dise
˜
no utilizados.
A. Kit de desarrollo STM32F1C8T6
La placa de control principal del equipo fue el kit de
desarrollo STM32F103 (Fig. 2). La selecci
´
on de este kit
se debe a su buena relaci
´
on precio/calidad, la posibilidad
de adquirirlo en el mercado local y sus adecuadas car-
acter
´
ısticas t
´
ecnicas. Esta elecci
´
on se complementa con la
intenci
´
on del desarrollador del proyecto en interiorizarse en
su uso.
Fig. 2. Kit de desarrollo STM32F103.
Entre sus especificaciones se encuentra: un procesador
ARM 32-bit Cortex-M3, 64 Kbytes de memoria Flash, 20
Kbytes de SRAM, interrupciones en todos los puertos, 2
conversores A/D de 12-bit, entre otras. La placa es la
encargada de comunicar los distintos m
´
odulos del proyecto
(Fig. 3).
B. Interfaz de usuario
Este modulo le permite al usuario ejecutar las siguientes
acciones:
• Visualizar datos de funcionamiento.
• Activar y desactivar m
´
odulos.
• Configurar par
´
ametros de cada m
´
odulo.
• Navegar por el men
´
u de configuraci
´
on.
Para la visualizaci
´
on de los par
´
ametros del equipo se opt
´
o
por una pantalla LCD2004 (Fig. 4), un expansor de puertos
PCF8574 (Fig. 5) y un encoder rotativo de 20 posiciones
KY-040 (Fig. 6).
El encoder rotativo se usa para navegar por las distintas
pantallas del programa que se muestran en el display LCD.
El evento de presi
´
on del encoder se utiliza para ejecutar la
Fig. 3. Bloques que integran el equipo.
Fig. 4. Display LCD2004.
Fig. 5. Encoder rotativo KY-040.
acci
´
on seleccionada o acceder al submen
´
u correspondiente,
mientras que el evento de rotaci
´
on cambia la posici
´
on del
cursor en la pantalla actual.
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Fig. 6. Expansor E/S PCF8574.
C. Etapa generadora de filamento
Esta etapa se encarga de transformar la franja de pl
´
astico
PET en filamento a partir del calentamiento del material y
del cambio de su forma. Para lograr esto, se implement
´
o
un mecanismo similar al que se encuentra en el extrusor de
una impresora 3D, el cual consiste en atravesar filamento
pl
´
astico por un material caliente a una temperatura que lo
derrita o lo ablande. La etapa est
´
a compuesta por:
• Una resistencia calentadora de 12 V / 40 W (Fig. 7).
• Un termistor NTC 100 k b3950 (Fig. 8).
• Un m
´
odulo MOSFET IRFZ44N.
Fig. 7. Resistencia calentadora junto a bloque de aluminio que funde el
plastico PET.
Fig. 8. Termistor NTC 100k comunmente utilizado en impresoras 3D.
El control de la temperatura de trabajo se realiza desde
la placa de desarrollo mediante el sensado de temperatura
con el termistor y la activaci
´
on de la resistencia calentadora
a trav
´
es del m
´
odulo MOSFET.
D. Etapa colectora de filamento
La colecta de filamento es la forma de acumular el pro-
ducto resultante del proyecto para que quede en condiciones
de utilizarlo directamente en una impresora 3D. En esta
etapa se utilizaron los siguientes elementos:
• Un motor paso a paso SC42STH47-1504-01AF (Fig.
9).
• Un driver A4988 (Fig. 10).
• Piezas mec
´
anicas varias (soportes, poleas, etc.).
El driver es el elemento intermediario entre el motor y la
placa de control con el que se maneja:
• Velocidad de giro.
• Reset.
• Direcci
´
on de rotaci
´
on.
Si se modifica la se
˜
nal que llega al pin de velocidad
del driver, se modifica la velocidad de giro del motor.
Adem
´
as de las caracter
´
ısticas mencionadas, el driver maneja
la alimentaci
´
on el
´
ectrica del motor.
Fig. 9. Motor paso a paso tipo NEMA17.
Fig. 10. Driver A4988.
E. Control principal del flujo de programa
Durante el funcionamiento del dispositivo se ejecutan dos
tareas principales:
• Mantener la temperatura de extrusi
´
on en el valor con-
figurado.
• Mantener el movimiento cont
´
ınuo del colector de fila-
mento en caso de estar activado.
Debido a esto, la funci
´
on main() se divide en:
• Sensar la temperatura de trabajo cada 1 segundo.
• Monitorear si el usuario interactu
´
o con la interfaz para
cambiar alg
´
un par
´
ametro.
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F. Control de temperatura de trabajo
El usuario debe configurar la temperatura de trabajo para
el bloque extrusor de filamento, que moldea la franja de PET
que recibe. A nivel firmware, para elevar la temperatura se
debe activar el puerto GPIO asociado al calentador, mientras
que en caso de enfriar el bloque se lo desactiva.
El c
´
alculo de la temperatura medida se realiza con una
look-up table que relaciona la medici
´
on del ADC con el
valor de temperatura actual. Es interesante destacar que este
m
´
etodo es el mismo que utilizan las impresoras 3D [7]. Para
la generaci
´
on de la tabla se utiliza un script [8] obtenido
del proyecto RepRap [9] basado en el lenguaje Python
[10], donde se cargan los datos relacionados al modelo de
termistor, al valor de la resistencia que forma el divisor
resistivo, la cantidad de valores que se desee incorporar en
la tabla y la tensi
´
on m
´
axima tolerada por el conversor ADC.
Luego del c
´
alculo de temperatura se verifica el valor
obtenido contra la temperatura configurada y se hace la
correcci
´
on de ser necesaria. El control que se realiza es de
tipo ON/OFF ya que pruebas con un control PID arrojaron
resultados muy inestables.
G. Control de velocidad de motor
El control de velocidad de giro del motor incluido en
el colector de filamento se realiza a partir de un timer
del microcontrolador, el cual activa una interrupci
´
on por
desborde. Al ocurrir este evento, dentro de la funci
´
on
callback se ejecutan las siguientes acciones:
• Se verifica si el usuario modific
´
o la velocidad de giro
del motor.
• Se cambia de estado el GPIO asociado al pin velocidad.
El usuario puede seleccionar tres valores distintos de
velocidad de recolecci
´
on: 100 mm/min, 200 mm/min o 300
mm/min.
H. Dise
˜
no del montaje mec
´
anico
El montaje del equipo se realiz
´
o sobre un gabinete de
madera de 480 mm x 200 mm x 200 mm (Fig. 11), el
cual fue acondicionado en su interior para alojar las partes
electr
´
onicas y fuentes de alimentaci
´
on. En el exterior, se
instalaron las partes asociadas a la interfaz de usuario, al
extrusor de filamento, al sensor de filamento y al colector
de filamento (Fig. 12).
IV. RESULTADOS
Luego del ensamble del equipo, se desarrollaron una
serie de pruebas funcionales que inclu
´
ıan la verificaci
´
on del
correcto funcionamiento de las distintas partes del equipo, el
analisis del filamento desarrollado y la comparaci
´
on de este
resultado con el rendimiento de otros filamentos plasticos
comunmente utilizados en el
´
area de la impresi
´
on 3D [11].
Se obtuvieron resultados satisfactorios al ejecutar las
pruebas de funcionamiento sobre la navegaci
´
on sobre el
men
´
u del equipo, sobre la estabilidad de la temperatura de
trabajo una vez alcanzada y sobre la velocidad de filamento
por parte de la etapa colectora.
El proceso de transformaci
´
on del pl
´
astico PET permiti
´
o
cuantificar el filamento producido seg
´
un el volumen de las
botellas com
´
unmente usadas como envases de bebidas en
el mercado local. Para el conteo del filamento generado
Fig. 11. Montaje final del equipo.
Fig. 12. Montaje de interfaz de usuario, etapa extrusora y etapa colectora
de filamento.
por botella, se procesaron: cinco botellas de 500 ml, cinco
botellas de 1,5 l, cinco botellas de 2 l y cinco botellas 2,25 l.
A partir del promedio, los resultados fueron los siguientes:
• 4 m de filamento a partir de una botella de 500 ml
• 9 m de filamento a partir de una botella de 1,5 l
• 10 m de filamento a partir de una botella de 2 l
• 12 m de filamento a partir de una botella de 2,25 l
Todos los filamentos resultados presentan un di
´
ametro de
1,75 mm. A partir de los resultados obtenidos y teniendo
presente que en promedio las bobinas comerciales presentan
320 m de filamento pl
´
astico, se requieren las siguientes
cantidades de botellas para lograr esa longitud:
• 80 botellas de 500 ml
• 36 botellas de 1,5 l
• 32 botellas de 2 l
• 27 botellas de 2,25 l
Adem
´
as se realizaron pruebas de impresi
´
on 3D, las cuales
permitieron analizar y comparar piezas mec
´
anicas produci-
das con el filamento producido y filamentos comerciales
[12]. Las piezas resultantes (Fig. 13 y Fig. 14) tienen
dimensiones de entre 1,5 cm y 2 cm. La impresora 3D
utilizada fue Replikat M5 Extendida, configurada con los
siguientes par
´
ametros:
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• Altura de capa: 0,4 mm
• Di
´
ametro de boquilla: 0,4 mm
• Velocidad: 30 mm/s
• Temperatura de extrusi
´
on: 245
o
C
• Temperatura de cama: 80
o
C
Fig. 13. Muestras de peque
˜
nas piezas impresas con filamento PET
reciclado.
Fig. 14. Muestras de peque
˜
nas piezas impresas con filamento PET
reciclado.
Respecto a la comparaci
´
on con otros materiales no reci-
clados com
´
unmente utilizados en el
´
area como PLA (poly-
lactic acid) y ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene), se
realiz
´
o la impresi
´
on de un cubo de 10 mm x 10 mm x
10 mm con ambos materiales y con filamento producido
desde botellas PET (Fig. 15). La prueba se realiz
´
o sobre
una impresora 3D Trimaker Nebula.Para el momento de la
impresi
´
on con PET, se configur
´
o el equipo con los siguientes
par
´
ametros:
• Altura de capa: 0,3 mm
• Di
´
ametro de boquilla: 0,4 mm
• Velocidad: 20 mm/s
• Temperatura de extrusi
´
on: 250
o
C
• Temperatura de cama: 90
o
C
Fig. 15. Comparativa de piezas impresas en ABS, PLA y PET reciclado.
Fig. 16. Comparativa de piezas impresas en ABS, PLA y PET reciclado.
Los resultados muestran considerables diferencias re-
specto a la terminaci
´
on de las piezas impresas en ABS
y PLA respecto a la pieza impresa en PET. Si bien la
geometr
´
ıa de las piezas impresas no requiere un nivel de
detalles exigente, en la pr
´
actica puede considerarse que el
PET es un material noble para trabajar con piezas donde se
requiera un elevado nivel de resistencia mec
´
anica por sobre
un gran nivel de detalles en la terminaci
´
on de la pieza [13].
Otro aspecto no menor para hacer referencia es la con-
tinuidad del filamento producido a partir del filamento de
dos botellas pl
´
asticas distintas. En la pr
´
actica, no se logr
´
o
la continuidad de dos franjas PET previo al proceso de
termoformaci
´
on, al cruzar la franja de PET por el pico
caliente. Esto ocurri
´
o debido a que en las zonas donde se
produce la uni
´
on de ambas franjas de PET, la termofor-
maci
´
on se volv
´
ıa m
´
as compleja al encontrarse m
´
as material
a procesar. Esto gener
´
o que no puedan realizarse pruebas
sobre impresiones de dimensionar m
´
as grandes que las
descriptas anteriormente.
V. CONCLUSIONES
El presente trabajo surgi
´
o de la necesidad de generar
un mecanismo para articular el reciclaje de pl
´
asticos y la
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innovaci
´
on tecnol
´
ogica del dise
˜
no 3D en las instituciones
educativas. Se logr
´
o dise
˜
nar e implementar un prototipo
de un equipo que transforma el pl
´
astico PET de botellas
descartables en filamento para uso en impresoras 3D.
En cuanto al cumplimiento de los objetivos, el prototipo
permite efectivamente procesar el pl
´
astico de botellas PET
para transformarlo en filamento apto para uso en impresoras
3D. Adem
´
as, la interfaz de usuario permite el control de
los distintos m
´
odulos del proyecto de forma f
´
acil y clara.
En cuanto a los objetivos no alcanzados, no se logr
´
o el
almacenamiento de los metros de filamento generados. Al
consultar, el cliente manifest
´
o que esa caracter
´
ıstica no era
de real importancia en el resultado final, con lo cual, fue
descartado con su debido aval.
VI. TRABAJO FUTURO
Con el objetivo de producir m
´
as filamento reduciendo
los tiempos requeridos, se pueden identificar las siguientes
oportunidades de mejora y ampliaci
´
on:
• Agregar una segunda etapa extrusora y de recolecci
´
on
de filamento.
• Ampliar la interfaz de usuario para el manejo de los
agregados comentados en el
´
ıtem anterior.
• Desarrollar un m
´
odulo de soldadura para unir dos
filamentos creados y lograr una extensi
´
on mayor de
la lograda en la actualidad.
• Desarrollar un control de temperatura mediante control
PID con un sistema de autotune de par
´
ametros, como
ejecutan en la actualidad las impresoras 3D.
VII. AGRADECIMIENTOS
El autor agradece a la direcci
´
on del Centro de Formaci
´
on
Profesional N
o
8 - SMATA por la confianza en la idea y
los aportes econ
´
omicos que permitieron el desarrollo, al
director del proyecto, el Ing. Nicol
´
as Latorre, por su buena
predisposici
´
on y calidad profesional y a mi familia por la
contenci
´
on y apoyo incondicional en estos desaf
´
ıos.
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´
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Revista elektron, Vol. 7, No. 1, pp. 34-39 (2023)
ISSN 2525-0159
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