Recycelter 3D-Druck: Nachhaltige Lösungen für eine umweltfreundliche Produktion

In diesem Beitrag werden neue Ansätze vorgestellt, um recycelte 3D-Druckmaterialien durch lokales und geschlossenes Recycling von Thermoplasten und Pulvern umweltfreundlicher zu machen. Dabei werden sowohl post-industrielle und post-consumer Abfallströme als auch erneuerbare Ressourcen von landwirtschaftlichen Nebenprodukten bis hin zu Rohstoffen aus pflanzlichen Materialien untersucht. Dieses Papier befasst sich mit nachhaltigen Ansätzen, die den gesamten Lebenszyklus von der Materialbeschaffung bis zum Recycling umfassen.

In diesem Artikel beschreibt der Autor, wie die Umstellung auf nachhaltigere Grundmaterialien und Techniken den 3D-Druck zu einer glaubwürdigen grünen Technologie machen kann. Er befasst sich mit neuen Möglichkeiten zur Verwendung von recyceltem 3D-Druck und erneuerbaren Materialien für AM. In Bezug auf die Beschaffung, die Verwendung und die Entsorgung von Materialien werden auch mögliche nachhaltige Praktiken beleuchtet. Ziel ist es, eine Reihe von aktuellen Best Practices für geschlossene Kreisläufe zu entwickeln, die zur Definition des effektivsten 3D-Druck-Recyclingkreislaufs verwendet werden können.

Was ist recyceltes 3D-Druckmaterial?

Beim recycelten 3D-Druck, der auch als wiederaufbereiteter 3D-Druck bekannt ist, werden die 3D-Drucker mit Post-Consumer- und Post-Industrial-Abfällen gefüttert. Stattdessen werden wiederverwertbare thermoplastische Kunststoffe und andere Ausgangsmaterialien in Filamente, Pulver oder Pellets umgewandelt, die für den 3D-Druck von funktionalen Teilen und Produkten bereit sind. Schätzungen moderner Staaten gehen davon aus, dass etwa 5-10% des gesamten gebrauchten Materials auf Verbraucherebene 3D-Druck stammt aus recycelten Ressourcen.

Zu diesen recycelten Produkten gehören recycelte Versionen der am häufigsten verwendeten Thermoplaste für den 3D-Druck wie PLA, das aus Abfällen von alten Elektronikgeräten und Kunststoffen gewonnen wird, ABS aus gebrauchten Kunststoffen und Haushaltskunststoffen und PETG aus Abfällen von Kunststoffverpackungsmaterialien. Diese werden dann gereinigt und zerkleinert und zu Filamenten extrudiert, die für die Verwendung in 3D-Druckern geeignet sind.

Vorteile des recycelten 3D-Drucks

Weniger Abfall und Deponieverbrauch

Indem er die Deponierung von Post-Consumer-Kunststoffen und anderen Abfällen auf den bestehenden und äußerst knappen Mülldeponien vermeidet, spielt der recycelte 3D-Druck eine Schlüsselrolle bei der Verlagerung der Umweltbelastung. Darüber hinaus fördert er das Recycling von Material, das sonst auf der Müllhalde landen würde.

Geringere Abhängigkeit von neuen Rohstoffen

Da recycelte 3D-Druck-Filamente und -Materialien aus industriellen und kommunalen Abfallströmen gewonnen werden, verringert sich die Notwendigkeit, der Umwelt neue Rohstoffe durch energieintensive Abbau- oder Bohrverfahren zu entziehen.

Energieeinsparungen

Die Verarbeitung von recycelten Materialien zu Rohmaterial für 3D-Drucker verbraucht weniger Energie als die Gewinnung neuer Materialien, ihre Verarbeitung und ihr Transport. Ein solches Ergebnis verbraucht im Endeffekt viel Energie im Herstellungsprozess und im Lebenszyklus des entwickelten Produkts.

Gängige recycelte Materialien für den 3D-Druck

Kunststoffe wie PLA, ABS, PETG

Sie alle machen einen großen Prozentsatz des Post-Consumer-Kunststoffabfalls aus. Aufgrund ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften eignen sie sich daher für das 3D-Druckverfahren der Fused Filament Fabrication (FFF).

Baumaterialien wie Beton, Holz

Betonabfälle und Sägespäne können wiederaufbereitet und mit Bindemitteln kombiniert werden, um recycelten Beton und Holzfilamente für den 3D-Druck großer Strukturteile herzustellen.

Metalle, Fasern auf Pflanzenbasis

Sogar 3D-Metalldruck Pulver aus Produktionsabfällen und pflanzliche Fasern aus landwirtschaftlichen Abfällen werden jetzt in recycelte 3D-Druckmaterialien umgewandelt.

Künftiger Umfang und Herausforderungen

Auch wenn der recycelte 3D-Druck allmählich mehr Akzeptanz findet, ist es möglich, die Aussichten für die Nutzung und die Auswirkungen auf die Umwelt zu verbessern. Die Einführung eines unterschiedlichen Stroms für jede Art von Post-Consumer-Kunststoff führt zu einer Verbesserung des prozentualen Recyclinganteils in den 3D-gedruckten Teilen. Auch das World Wide Web ist vielversprechend, denn die Festlegung von Standardrichtlinien für Recyclingfähigkeitstests und Zertifizierungen kann die Akzeptanz der Technologie bei den Verbrauchern erhöhen. Allerdings gibt es bei der Qualität und den mechanischen Eigenschaften der recycelten Filamente noch einige Probleme mit der allgemeinen Qualitätskonsistenz.

Umweltverträgliche Filamente für den FDM-Druck

Die amorphe Industrie bezieht sich im Allgemeinen auf Fused Deposition Modeling (FDM) Art von 3D-Druckern, die Kunststoff als Filamentmaterial verwenden. Mehrere Filamenttypen bieten bessere Lösungen im Vergleich zu herkömmlichen ölhaltigen Kunststoffen.

PLA

Es ist eine Polymilchsäure (PLA), die aus biobasiertem Material bestehen, d.h. sie stammen aus Pflanzen wie Maisstärke, Tapiokawurzeln oder Zuckerrohr. Sie sind 100% recycelbar in Übereinstimmung mit den Standards aller Länder der Europäischen Union; sie können vollständig zersetzt und kompostiert werden. Gleichzeitig sind Teile aus PLA-Material zwar stabil, aber nicht hitzebeständig.

PETG

PET-Glykol- oder PETG-Filamente werden direkt aus vorverarbeitetem Post-Verbraucher-Material gewonnen. PET Behälter und Flaschen. Es ergibt vergleichsweise harte und glänzende Drucke wie ABS, ist aber völlig frei von jeglichen Emissionen giftiger Gase. PETG bleibt auch nach mehreren Jahren noch stark.

PC-ABS

Das PC-ABS ist ein Copolymer aus Polycarbonat und ABS das eine akzeptable Schlagzähigkeit und Steifigkeit aufweist und erhebliche Lasten tragen kann. Die Filamente halten bis zu 30% recyceltes 3D-Drucken aus, wobei die Leistung des Rohmaterials mit der von unbehandeltem PC-ABS vergleichbar ist.

Nylon

Nylon-Filamente wie Nylon-6 könnten aus Rapsöl oder Rizinusbohnen hergestellt werden, was die Abhängigkeit von Nylon auf Basis fossiler Öle verringert. Sie liefern widerstandsfähige, zähe Drucke, die sich für funktionale Prototypen und die Fertigung eignen.

Bambus, Holz, Papier

Diese pflanzlichen Filamente nutzen landwirtschaftliche Nebenprodukte wie Bambuspulver, Sägemehl oder Papierpartikel, die mit Biokunststoffen verbunden sind. Die gedruckten Teile haben eine natürliche holz- oder papierähnliche Textur.

Lebensmittelabfälle

Sogar Lebensmittelabfälle wie Trauben- und Orangenschalen wurden durch Fermentierung und Compoundierung in nachhaltige Filamente verwandelt. Die Eigenschaften ähneln gängigen 3D-Druck-Kunststoffen.

Recycelte Materialien für SLA/DLP- und SLS/SLM-Druck

Metallpulver

Metallpulver für Selektives Laser-Sintern (SLS) und Schmelzen (SLM) können recycelte 3D-Druckinhalte wie Edelstahl, Werkzeugstahl und Aluminium aus Bearbeitungsabfällen verwendet werden. Die Eigenschaften entsprechen denen von Rohmetall.

Polymere

Fotopolymere wiederverwendet für Stereolithographie (SLA) und Digital Light Processing (DLP) 3D-Drucken kommen von Prototyping-Materialien, die nicht mehr benötigt werden. Die Leistung ist gleichwertig mit der von neuer Harzfarbe, aber die Recyclingfähigkeit muss geprüft werden.

Komposit-Pulver

Pulver, die recycelte Metalle und Keramiken kombinieren, zeigen Potenzial für funktionelle Teile im SLS-Verfahren. Hybride Materialien bieten die notwendige Festigkeit und gleichzeitig Vorteile in Bezug auf die Nachhaltigkeit.

Die Eigenschaften von Teilen, die mit den oben genannten Filamenten und Pulvern gedruckt werden, entsprechen im Allgemeinen den ursprünglichen Rohstoffen. Mechanische Eigenschaften wie die Zugfestigkeit bleiben auch bei der additiven Fertigung mit recycelten 3D-Druck-Rohstoffen erhalten. Dies bestätigt ihre Tauglichkeit für funktionelle Anwendungen.

Insgesamt reduziert die nachhaltige additive Fertigung unter Verwendung von post-consumer, post-industriellen oder landwirtschaftlichen Abfällen die Umweltauswirkungen im Vergleich zur konventionellen Fertigung erheblich. Mit laufender Forschung an neuartigen recycelten Materialien, hochwertiger 3D-Druck ist auf dem besten Weg, eine umweltfreundlichere Technologie zu werden.

Recycling von 3D-Drucken im geschlossenen Kreislauf

Bei Bedarf werden 3D-Drucke, die schnelles Prototyping und eine schnelle Fertigung ermöglichen, oft als misslungene oder nicht funktionsfähige Drucke in die Mülltonne geworfen, da die mechanische Zerkleinerung und Wiederverwendung zahlreiche Probleme mit sich bringt... Dies wirft aufgrund der Verwendung von energieintensiven neuen Materialien Fragen der Nachhaltigkeit auf. Das Recycling in geschlossenen Kreisläufen bietet eine effektive Lösung, indem verschiedene recycelte 3D-Druckmaterialien wiederverwendet werden.

Probleme mit dem Recycling fehlgeschlagener Drucke

Fehlgeschlagene FDM-Drucke können infiltrierte Träger enthalten, die das mechanische Recycling behindern. Auch SLA-Harze, die mit fehlerhaften Teilen ausgehärtet wurden, können aufgrund der Vernetzung während der Aushärtung nicht direkt mechanisch recycelt werden. Auch pulverbasierte Materialien erfordern aufgrund von Eigenschaften wie der Oxidierbarkeit eine spezielle Verarbeitung.

Ansätze für chemisches Recycling

Neue chemische Recyclingtechnologien können Polymer-, Harz- und Pulverdrucke auf molekularer Ebene zerlegen. So werden beispielsweise fehlerhafte ABS-Teile, die zu Pulver zermahlen wurden, mit chemischen Lösungsmitteln depolymerisiert, um reine ABS-Monomere zu gewinnen. Diese Monomere können dann zur direkten Wiederverwendung als Filamente ohne Qualitätsverlust repolymerisiert werden.

Harze aus SLA/DLP-Druckern werden beim 3D-Druck mit ähnlichen Depolymerisations- oder Solvolysetechniken recycelt, wodurch saubere Fotopolymere für die Wiederverwendung entstehen. Fehlerhafte Metall- und Keramikteile aus SLS/SLM können durch Säureauslaugung oder Ausfällung von Legierungen für die Reatomisierung getrennt werden.

Wiederverwendung von Pulvern in SLS/SLM

Die Nachbearbeitung bietet eine Alternative zum chemischen Recycling für pulverbasierte Systeme. Überschüssiges, nicht verwendetes Pulver aus SLS/SLM-Maschinen wird einfach wieder eingesammelt, gesiebt, um Verunreinigungen zu entfernen, und wiederverwendet, ohne dass sich dies signifikant auf die Eigenschaften oder die Druckleistung auswirkt. Dadurch werden über 95% an Materialkosten eingespart.

Geschlossener Recyclingkreislauf schafft eine Kreislaufwirtschaft für 3D-Druck im großen Maßstab Materialien, indem Abfall und die Abhängigkeit von neuen Ressourcen vermieden werden. Mit weiteren Verfeinerungen ist der Prozess für industrielle und kommerzielle Anwender skalierbar, um eine vollständig nachhaltige additive Fertigung zu realisieren. In Kombination mit nachhaltigen Filamenten und Pulvern wird der 3D-Druck zu einem Paradigma der grünen Produktion.

Lokale Beschaffung von recycelten Rohstoffen

Für eine wirklich nachhaltige Lieferkette sollten recycelte 3D-Druckmaterialien so lokal wie möglich beschafft werden, um die Transportemissionen zu minimieren. Dezentrale Recycling-Modelle tragen diesem Problem Rechnung.

Kleine, gemeindebasierte Recyclinganlagen können vor Ort postindustrielle Kunststoffabfälle und Haushaltsabfälle sammeln. Nach einer grundlegenden Sortierung und Reinigung werden diese Kunststoffe mit Hilfe von kleinen Extrusionsanlagen in 3D-Druckerfilamente umgewandelt.

Die fertigen Fäden werden dann an nahe gelegene Schulen, Bibliotheken oder Unternehmen mit 3D-Drucker. Eine ländliche Recycling-Initiative könnte zum Beispiel im Umkreis von 50 Meilen Scheiben von landwirtschaftlichen Geräten und Haushaltsflaschen sammeln, um daraus PLA-Filamente herzustellen, die von lokalen Makerspaces verwendet werden.

Dieses lokalisierte, geschlossene Kreislaufsystem macht den Transport von Plastik überflüssig. Außerdem ermöglicht es den Gemeinden den Aufbau unabhängiger zirkulärer Versorgungsketten mit minimaler Abhängigkeit von zentralisierten Märkten für neue Materialien.

Erneuerbare und biologisch abbaubare Materialien

Nachhaltiger 3D-Druck geht über recycelte Kunststoffe hinaus und umfasst auch pflanzenbasierte und biologisch abbaubare Materialien.

Harze, die aus landwirtschaftlichen Rohstoffen wie Mais und Zuckerrohr hergestellt werden, bieten erneuerbare Alternativen zu SLA-Harzen auf Erdölbasis. Verbundwerkstoffe aus land- und forstwirtschaftlichen Reststoffen wie Holzmehl oder Hanffasern verbessern die Nachhaltigkeit weiter.

Biokunststoffe und Bioresine sorgen dafür, dass gedruckte Teile am Ende ihres Lebens sicher abgebaut werden können, ohne Mikroplastik zu erzeugen. In Kombination mit lokalen Produktionskreisläufe im kleinen MaßstabMit solchen erneuerbaren Materialien wird ein Paradigma der Netto-Null-Produktion geschaffen.

Die umweltfreundliche Beschaffung von Rohstoffen und die Produktion von biologisch abbaubaren Teilen sind der Schlüssel zur Positionierung des 3D-Drucks als umweltfreundliche Produktionsmethode der Zukunft.

Fazit

Die aktuellen Verbesserungen beim 3D-Druck und bei den verwendeten Materialien haben die additive Fertigungstechnologie zur führenden Technologie in der heutigen Fertigungsindustrie gemacht. Damit die 3D-Produktion jedoch nachhaltig ist, sollte der gesamte Prozess vom verwendeten Material bis zum Endprodukt eine Kreislaufwirtschaft darstellen.
Die in diesem Artikel besprochenen Strategien wie die Verwendung von recyceltem 3D-Druck und erneuerbaren Rohstoffen, das Recycling von Materialien in geschlossenen Kreisläufen und die lokale Produktion in kleinem Maßstab helfen dabei, Nachhaltigkeitsaspekte in der gesamten Wertschöpfungskette des 3D-Drucks zu berücksichtigen. Die weitverbreitete Einführung solcher grüner Ansätze kann die Abhängigkeit von neuen Kunststoffen, schweren Transporten und nicht erneuerbarer Energie minimieren.

Insgesamt etabliert der Wechsel zu lokalisierten, abfallbasierten und erneuerbaren Ressourcen den recycelten 3D-Druck als ein Fertigungsparadigma, das nicht nur erschwinglich und individuell, sondern auch umweltfreundlich ist. Dies hilft, das volle Potenzial der additiven Fertigung für eine nachhaltige Zukunft auszuschöpfen.

FAQs

F: Können alle 3D-Drucktechnologien recycelte Materialien verwenden?

A: Während FDM und einige Pulverbettverfahren recycelte 3D-Druck-Thermoplaste bzw. Metallpulver verwenden können, können andere Technologien wie SLA Probleme mit vorgehärteten Harzen haben. Die laufende Forschung und Entwicklung erweitert kompatible Prozesse.

F: Ist es wirklich nachhaltiger als die Verwendung von Neuware?

A: Ja, die Wiederverwendung von Kunststoffabfällen reduziert die Umweltbelastung erheblich gegenüber der Gewinnung von neuem Kunststoff aus fossilen Brennstoffen durch energieintensive Prozesse. Auch wenn es einige Abstriche bei der Qualität gibt, ist es eine umweltfreundlichere Alternative.

F: Wie viel kostet es normalerweise im Vergleich zu neuen Filamenten?

A: Recycelte 3D-Druckfilamente sind in der Regel 10-30% billiger als vergleichbare neue Filamente, da die Materialkosten niedriger sind. Wenn das Recycling weiter ausgebaut wird, werden die Preise voraussichtlich weiter sinken.