Impresión 3D reciclada: Soluciones sostenibles para una producción respetuosa con el medio ambiente

Este artículo revisa los nuevos enfoques para hacer que los materiales reciclados de impresión en 3D sean más respetuosos con el medio ambiente mediante el reciclaje local y en circuito cerrado de termoplásticos y polvos. Se explora el uso tanto de flujos de residuos postindustriales y postconsumo como de recursos renovables, desde subproductos agrícolas hasta materias primas derivadas de materiales de origen vegetal. Este documento abarca enfoques sostenibles que implican el abastecimiento de materiales durante todo el ciclo de vida a través del reciclaje.

En este artículo, el autor describe cómo el cambio a materiales y técnicas básicas más sostenibles puede hacer de la impresión 3D una tecnología ecológica creíble. Analiza las nuevas oportunidades de utilizar materiales reciclados en la impresión 3D y materiales renovables para la AM. En relación con el abastecimiento, el uso y el acabado final de los materiales, también se centran las posibles prácticas sostenibles. El objetivo es desarrollar un conjunto de mejores prácticas actuales de bucle cerrado que puedan utilizarse para definir el bucle de reciclaje de impresión 3D más eficaz.

¿Qué son los materiales reciclados para impresión 3D?

La impresión 3D reciclada, también conocida como impresión 3D remanufacturada, consiste en utilizar residuos postconsumo y postindustriales en la alimentación de las impresoras 3D. En su lugar, funciona convirtiendo termoplásticos reciclables y otros materiales de alimentación en filamentos, polvos o gránulos listos para la impresión 3D de piezas y productos funcionales. Las estimaciones de los estados modernos predicen que alrededor de 5-10% del total del material usado perteneciente al nivel de consumo Impresión en 3D procede de recursos reciclados.

Estos productos reciclados incluyen versiones recicladas de los termoplásticos de impresión 3D más utilizados, como el PLA, que se obtiene a partir de residuos de aparatos electrónicos y plásticos viejos, el ABS, a partir de plásticos usados y plásticos domésticos, y el PETG, a partir de residuos de materiales de envasado de plástico. A continuación, se limpian, se trituran y se extrusionan en filamentos adecuados para su uso en impresoras 3D.

Ventajas de la impresión 3D reciclada

Reducción del uso de residuos y vertederos

De este modo, al evitar el vertido de plásticos postconsumo y otros residuos en los vertederos existentes y extremadamente escasos, la impresión 3D reciclada desempeña un papel clave en el cambio de la carga medioambiental. Es más, fomenta el reciclaje de materiales que de otro modo se verterían en los vertederos.

Menor dependencia de las materias primas vírgenes

Dado que los filamentos y materiales reciclados para impresión en 3D se obtienen a partir de flujos de residuos industriales y municipales, se reduce la necesidad de extraer nuevas materias primas del medio ambiente mediante procesos de minería o perforación que consumen mucha energía.

Ahorro de energía

La descomposición de los materiales reciclados en material de alimentación para impresoras 3D utiliza menos energía en comparación con la extracción de materiales vírgenes, su procesamiento y transporte. Tal resultado al final consume mucha energía en el proceso de fabricación así como dentro del ciclo de vida del producto desarrollado.

Materiales reciclados comunes para la impresión 3D

Plásticos como PLA, ABS, PETG

Todos ellos constituyen un gran porcentaje de los residuos plásticos postconsumo. Por ello, sus propiedades mecánicas y térmicas los hacen adecuados para el proceso de impresión 3D del tipo de fabricación de filamento fundido (FFF).

Materiales de construcción como hormigón, madera

Los residuos de hormigón y serrín pueden reprocesarse y combinarse con aglutinantes para producir hormigón reciclado y filamentos de madera para imprimir en 3D grandes piezas estructurales.

Metales, fibras vegetales

Incluso Impresión metálica en 3D Los polvos procedentes de desechos de fabricación y las fibras vegetales procedentes de residuos agrícolas se convierten ahora en materiales reciclados para impresión 3D.

Alcance y retos futuros

Aunque la impresión 3D reciclada es cada vez más aceptada, es posible mejorar las perspectivas de uso y los efectos medioambientales. La implantación de un flujo diferente para cada tipo de plástico postconsumo permite mejorar el porcentaje de contenido reciclado en las piezas impresas en 3D. También es prometedora porque la elaboración de políticas estándar para las pruebas de reciclabilidad y las certificaciones también puede fomentar la aceptación de la tecnología por parte de los consumidores. Sin embargo, la calidad y la mecánica de los filamentos reciclados siguen presentando algunos problemas con la consistencia general de la calidad.

Filamentos ecológicos para impresión FDM

La industria amorfa se refiere comúnmente al modelado por deposición fundida (FDM) tipo de impresoras 3D que utilizan plástico, material de filamentos. Varios tipos de filamentos ofrecen mejores soluciones en comparación con los plásticos convencionales que contienen aceite.

PLA

Es un ácido poliláctico (PLA) filamento que es un material de base biológica, lo que significa que se origina a partir de plantas, por ejemplo, almidón de maíz, raíces de tapioca o caña de azúcar. Son 100% reciclables de acuerdo con las normas de todos los países de la Unión Europea; se pueden descomponer y compostar por completo. Al mismo tiempo, las piezas fabricadas con material PLA son fuertes pero no resistentes al calor

PETG

El filamento de PET glicolado o PETG se obtiene directamente del preprocesado postconsumo PET envases y botellas. Proporciona impresiones comparativamente más duras y brillantes que el ABS, pero están completamente libres de cualquier tipo de emisión de gases tóxicos. PETG todavía se mantiene fuerte durante varios años.

PC-ABS

El PC-ABS es un copolímero de policarbonato y ABS que tiene una resistencia al impacto y una rigidez aceptables y puede soportar cargas importantes. Los filamentos mantienen hasta 30% de impresión 3D reciclados con un rendimiento de la materia prima comparable al del PC-ABS virgen.

Nylon

Filamentos de nailon como Nylon-6 podrían crearse a partir de aceite de colza o de semillas de ricino, reduciendo la dependencia del nailon derivado del petróleo fósil. Proporcionan impresiones resistentes y duras adecuadas para la creación de prototipos funcionales y la fabricación.

Bambú, madera, papel

Estos filamentos de origen vegetal aprovechan subproductos agrícolas como el polvo de bambú, el serrín o las partículas de papel aglutinadas con bioplásticos. Las piezas impresas tienen una textura natural similar a la madera o el papel.

Residuos alimentarios

Incluso los residuos alimentarios, como las cáscaras de uva y naranja, se han transformado en filamentos sostenibles mediante procesos de fermentación y composición. Las propiedades se asemejan a las de los plásticos comunes de impresión 3D.

Materiales reciclados para impresión SLA/DLP y SLS/SLM

Polvo metálico

Polvos metálicos para sinterizado selectivo por láser (SLS) y fusión (SLM) pueden incorporar a la impresión 3D contenidos reciclados como acero inoxidable, acero para herramientas y aluminio procedentes de desechos de mecanizado. Las propiedades coinciden con las de las potencias del metal en bruto.

Polímeros

Fotopolímeros reutilizados para estereolitografía (SLA) y la impresión 3D por procesamiento digital de la luz (DLP) proceden de materiales de prototipado que ya no son necesarios. El rendimiento sigue siendo equivalente al de la tinta de resina virgen, aunque la reciclabilidad requiere una evaluación.

Polvos compuestos

Los polvos que combinan metales reciclados y cerámica muestran potencial en SLS para piezas funcionales. Los materiales híbridos logran la resistencia necesaria junto con beneficios de sostenibilidad.

Las propiedades de las piezas impresas tanto con los filamentos como con los polvos mencionados emulan en general las materias primas originales. Las cualidades mecánicas como la resistencia a la tracción también se conservan mediante el proceso de fabricación aditiva con materias primas recicladas para impresión 3D. Esto confirma su viabilidad para aplicaciones funcionales.

En general, la fabricación aditiva sostenible utilizando residuos postconsumo, postindustriales o agrícolas reduce significativamente el impacto medioambiental en comparación con la fabricación convencional. Con la investigación en curso de nuevos materiales reciclados, impresión 3D de alta calidad está a punto de convertirse en una tecnología más ecológica.

Reciclaje en bucle cerrado de impresiones en 3D

Bajo demanda, con la impresión 3D que utiliza la creación rápida de prototipos y la fabricación, muchas veces las impresiones fallidas o no funcionales suelen tirarse al cubo de la basura, comúnmente conocido como vertedero, debido a los numerosos problemas derivados de la trituración mecánica y la reutilización... Esto plantea problemas de sostenibilidad debido al uso de materiales vírgenes que consumen mucha energía. El reciclaje en circuito cerrado ofrece una solución eficaz mediante la recuperación de diversos materiales de impresión 3D reciclados.

Problemas con el reciclado de impresiones fallidas

Las impresiones FDM fallidas pueden contener soportes infiltrados que interfieren con el reciclado mecánico. Del mismo modo, las resinas SLA curadas con piezas fallidas no pueden someterse a un reciclado mecánico directo debido a la reticulación durante el curado. Los materiales basados en polvo también requieren un procesamiento especial debido a propiedades como la oxidabilidad.

Enfoques de reciclaje químico

Las nuevas tecnologías de reciclado químico pueden descomponer las impresiones de polímeros, resinas y polvos a nivel molecular. Por ejemplo, las piezas de ABS fallidas trituradas hasta convertirlas en polvo se someten a una despolimerización mediante disolventes químicos para recuperar los monómeros de ABS puros. Estos monómeros pueden entonces repolimerizarse para su reutilización directa como filamentos sin pérdida de calidad.

Las resinas de las impresoras SLA/DLP se reciclan mediante impresión 3D utilizando técnicas similares de despolimerización o solvólisis, obteniendo fotopolímeros limpios para su reutilización. Las piezas metálicas y cerámicas defectuosas procedentes de SLS/SLM pueden utilizar la lixiviación ácida o la precipitación para separar las aleaciones para su reatomización.

Reutilización de polvos en SLS/SLM

El postprocesado ofrece una alternativa al reciclado químico para los sistemas basados en polvo. El polvo sobrante no utilizado de las máquinas SLS/SLM simplemente se recoge, se tamiza para eliminar impurezas y se reutiliza sin que ello afecte significativamente a las propiedades o al rendimiento de la impresión. De este modo se ahorran más de 95% de costes de material.

El reciclaje en circuito cerrado establece una economía circular para impresión 3D a gran escala materiales eliminando los residuos y la dependencia de los recursos vírgenes. Con nuevos perfeccionamientos, el proceso es escalable para que los usuarios industriales y comerciales realicen una fabricación aditiva totalmente sostenible. Combinado con filamentos y polvos de entrada sostenibles, establece la impresión 3D como paradigma de fabricación ecológica.

Abastecimiento local de materia prima reciclada

Para que la cadena de suministro sea realmente sostenible, los materiales reciclados de impresión 3D deben obtenerse lo más localmente posible para minimizar las emisiones del transporte. Los modelos de reciclaje descentralizados abordan esta cuestión.

Las pequeñas instalaciones de reciclaje comunitarias pueden recoger localmente la chatarra de plástico post-industrial y los residuos domésticos post-consumo. Tras una clasificación y purificación básicas, estos plásticos se convierten en filamentos para impresoras 3D mediante líneas de extrusión a pequeña escala.

A continuación, los filamentos acabados se distribuyen a las escuelas, bibliotecas o empresas cercanas con Impresoras 3D. Como ejemplo, una iniciativa de reciclaje rural puede recoger discos de maquinaria agrícola y botellas domésticas en un radio de 50 millas para fabricar filamentos de PLA utilizados por los makerspaces locales.

Este sistema localizado de circuito cerrado elimina cargas de transporte de plástico. También capacita a las comunidades para establecer cadenas de suministro circulares independientes con una dependencia mínima de los mercados centralizados de materiales vírgenes.

Materiales renovables y biodegradables

La impresión 3D sostenible va más allá de los plásticos reciclados para incorporar materiales vegetales y biodegradables.

Las resinas producidas a partir de materias primas agrícolas como el maíz y la caña de azúcar ofrecen alternativas renovables a las resinas SLA derivadas del petróleo. Los compuestos que utilizan residuos agrícolas y forestales como la harina de madera o las fibras de cáñamo mejoran aún más la sostenibilidad.

Los bioplásticos y las biorresinas garantizan que las piezas impresas puedan degradarse de forma segura al final de su vida útil sin generar microplásticos. Cuando se combinan con circuitos de producción a pequeña escala, estos materiales renovables establecen un paradigma de fabricación neto cero.

El abastecimiento ecológico de materias primas y la producción de piezas biodegradables son claves para posicionar la impresión 3D como un método de producción ecológico del futuro.

Conclusión

Las mejoras actuales en la impresión 3D y los materiales utilizados han convertido a la tecnología de fabricación aditiva en la tecnología líder de la industria manufacturera actual. Sin embargo, para que la producción 3D sea sostenible, todo el proceso, desde el material utilizado hasta el producto final, debe representar la economía circular.
Las estrategias analizadas en este artículo, como el uso de materiales de impresión 3D reciclados y materias primas renovables, el reciclaje de materiales en circuito cerrado y la producción localizada a pequeña escala, ayudan a abordar los aspectos de sostenibilidad en toda la cadena de valor de la impresión 3D. La adopción generalizada de estos enfoques ecológicos puede minimizar la dependencia de los plásticos vírgenes, el transporte pesado y la energía no renovable.

En general, un cambio hacia recursos localizados, basados en residuos y renovables establece la impresión 3D reciclada como un paradigma de fabricación que no sólo es asequible y personalizada, sino también respetuosa con el medio ambiente. Esto ayuda a hacer realidad todo el potencial de la fabricación aditiva hacia un futuro sostenible.

Preguntas frecuentes

P: ¿Todas las tecnologías de impresión 3D pueden utilizar materiales reciclados?

R: Mientras que la FDM y algunos procesos de lecho de polvo pueden utilizar termoplásticos y polvos metálicos reciclados para impresión 3D respectivamente, otras tecnologías como la SLA pueden tener problemas con las resinas precuradas. La I+D en curso está ampliando los procesos compatibles.

P: ¿Es realmente más sostenible que utilizar plásticos vírgenes?

R: Sí, la reutilización de residuos plásticos reduce significativamente el impacto medioambiental frente a la extracción de plástico nuevo a partir de combustibles fósiles mediante procesos que consumen mucha energía. Incluso con algunas contrapartidas de calidad, es una alternativa más ecológica.

P: ¿Cuánto suele costar en comparación con los filamentos vírgenes?

R: Los filamentos reciclados para impresión 3D suelen ser 10-30% más baratos que los filamentos vírgenes comparables, ya que los costes de material son más bajos. A medida que el reciclaje se amplíe más, se espera que los precios se reduzcan más.