Impression 3D recyclée : Des solutions durables pour une production respectueuse de l'environnement

Cet article passe en revue les nouvelles approches visant à rendre les matériaux d'impression 3D recyclés plus respectueux de l'environnement en utilisant le recyclage local et en boucle fermée des thermoplastiques et des poudres. L'utilisation de flux de déchets post-industriels et post-consommation ainsi que de ressources renouvelables, des sous-produits de l'agriculture aux matières premières dérivées de matériaux d'origine végétale, est étudiée. Ce document couvre les approches durables qui impliquent l'approvisionnement en matériaux sur l'ensemble du cycle de vie jusqu'au recyclage.

Dans cet article, l'auteur décrit comment l'adoption de matériaux et de techniques de base plus durables peut faire de l'impression 3D une technologie verte crédible. Il examine les nouvelles possibilités d'utilisation de matériaux recyclés pour l'impression 3D et de matériaux renouvelables pour l'AM. En ce qui concerne l'approvisionnement, l'utilisation et l'achèvement de l'utilisation des matériaux, les pratiques durables possibles sont également examinées. L'objectif est de développer un ensemble de meilleures pratiques actuelles en boucle fermée qui peuvent être utilisées pour définir la boucle de recyclage de l'impression 3D la plus efficace.

Qu'est-ce qu'un matériau d'impression 3D recyclé ?

L'impression 3D recyclée, également connue sous le nom d'impression 3D remanufacturée, consiste à utiliser des déchets post-consommation et post-industriels pour alimenter les imprimantes 3D. Elle fonctionne en convertissant des thermoplastiques recyclables et d'autres matériaux d'alimentation en filaments, poudres ou granulés prêts pour l'impression 3D de pièces et de produits fonctionnels. Les estimations des États modernes prévoient qu'environ 5-10% de l'ensemble des matériaux utilisés au niveau du consommateur Impression 3D provient de ressources recyclées.

Ces produits recyclés comprennent des versions recyclées des thermoplastiques les plus couramment utilisés pour l'impression 3D, tels que le PLA, qui est obtenu à partir de déchets de produits électroniques et de plastiques usagés, l'ABS, qui provient de plastiques usagés et de plastiques ménagers, et le PETG, qui provient de déchets de matériaux d'emballage en plastique. Ces produits sont ensuite nettoyés, déchiquetés et extrudés en filaments adaptés aux imprimantes 3D.

Avantages de l'impression 3D à partir de matériaux recyclés

Réduction des déchets et de la mise en décharge

En évitant de déverser des plastiques de post-consommation et d'autres déchets dans les décharges existantes et extrêmement rares, l'impression 3D recyclée joue un rôle clé dans le déplacement de la charge environnementale. De plus, elle favorise le recyclage de matériaux qui, autrement, seraient jetés dans les décharges.

Moins de dépendance à l'égard des matières premières vierges

Les filaments et matériaux d'impression 3D recyclés étant obtenus à partir de flux de déchets industriels et municipaux, il n'est pas nécessaire d'extraire de nouvelles matières premières de l'environnement par le biais de processus d'exploitation minière ou de forage à forte consommation d'énergie.

Économies d'énergie

La transformation de matériaux recyclés en matières premières pour imprimantes 3D consomme moins d'énergie que l'extraction de matériaux vierges, leur traitement et leur transport. Un tel résultat consomme finalement beaucoup d'énergie dans le processus de fabrication ainsi que dans le cycle de vie du produit développé.

Matériaux recyclés courants pour l'impression 3D

Plastiques tels que PLA, ABS, PETG

Ils constituent tous un pourcentage important des déchets plastiques post-consommation. Leurs propriétés mécaniques et thermiques les rendent donc adaptés au processus d'impression 3D de type FFF (fabrication par filament fondu).

Matériaux de construction comme le béton, le bois

Les déchets de béton et la sciure de bois peuvent être retraités et combinés à des liants pour produire du béton recyclé et des filaments de bois pour l'impression 3D de grandes pièces structurelles.

Métaux, fibres végétales

Même Impression 3D de métaux Les poudres issues des déchets de fabrication et les fibres végétales issues des déchets agricoles sont désormais converties en matériaux d'impression 3D recyclés.

Portée et défis futurs

Même si l'impression 3D recyclée est progressivement mieux acceptée, il est possible d'améliorer les perspectives d'utilisation et les effets sur l'environnement. La mise en œuvre d'un flux différent pour chaque type de plastique post-consommation permet d'améliorer le pourcentage de contenu recyclé dans les pièces imprimées en 3D. Le World Wide Web est également prometteur, car l'élaboration de politiques standard pour les tests de recyclabilité et les certifications peut également favoriser l'acceptation de la technologie par les consommateurs. Toutefois, la qualité et la mécanique des filaments recyclés posent encore des problèmes de cohérence de la qualité générale.

Filaments écologiques pour l'impression FDM

L'industrie des produits amorphes se réfère généralement à la modélisation par dépôt en fusion (FDM) type d'imprimantes 3D qui utilisent des filaments en plastique. Plusieurs types de filaments offrent de meilleures solutions que les plastiques conventionnels contenant de l'huile.

PLA

Il s'agit d'un acide polylactique (PLA), qui est un matériau bio, c'est-à-dire qu'il provient de plantes telles que l'amidon de maïs, les racines de tapioca ou la canne à sucre. Ils sont 100% recyclables conformément aux normes de tous les pays de l'Union européenne ; ils peuvent être entièrement décomposés et compostés. Par ailleurs, les pièces fabriquées en PLA sont solides mais ne résistent pas à la chaleur.

PETG

Le glycol PET ou le filament PETG est directement dérivé de produits de post-consommation prétraités. PET des conteneurs et des bouteilles. Il donne des impressions comparativement dures et brillantes comme l'ABS, mais il est totalement exempt d'émissions de gaz toxiques. PETG reste solide pendant plusieurs années.

PC-ABS

Le PC-ABS est un copolymère de polycarbonate et de polypropylène. ABS qui présente une résistance aux chocs et une rigidité acceptables et peut supporter des charges importantes. Les filaments maintiennent jusqu'à 30% l'impression 3D recyclée avec des performances des matières premières comparables à celles du PC-ABS vierge.

Nylon

Les filaments de nylon comme Nylon-6 pourraient être créés à partir d'huile de colza ou de graines de ricin, ce qui réduirait la dépendance à l'égard du nylon à base de pétrole fossile. Ils permettent d'obtenir des impressions résistantes et solides, adaptées au prototypage fonctionnel et à la fabrication.

Bambou, bois, papier

Ces filaments d'origine végétale utilisent des sous-produits agricoles tels que la poudre de bambou, la sciure de bois ou des particules de papier liées à des bioplastiques. Les pièces imprimées ont une texture naturelle semblable à celle du bois ou du papier.

Déchets alimentaires

Même les déchets alimentaires, y compris les pelures de raisin et d'orange, ont été transformés en filaments durables grâce à des processus de fermentation et de composition. Les propriétés de ces filaments ressemblent à celles des plastiques courants utilisés pour l'impression 3D.

Matériaux recyclés pour l'impression SLA/DLP et SLS/SLM

Poudre métallique

Poudres métalliques pour frittage sélectif par laser (SLS) et la fusion (SLM) peuvent incorporer des contenus d'impression 3D recyclés tels que l'acier inoxydable, l'acier à outils et l'aluminium provenant de déchets d'usinage. Les propriétés correspondent à celles des métaux bruts.

Polymères

Photopolymères réutilisés pour stéréolithographie (SLA) et le traitement numérique de la lumière (DLP) proviennent de matériaux de prototypage qui ne sont plus nécessaires. Les performances restent équivalentes à celles des encres à base de résine vierge, mais la recyclabilité doit être évaluée.

Poudres composites

Les poudres combinant des métaux recyclés et des céramiques présentent un potentiel pour la fabrication de pièces fonctionnelles par SLS. Les matériaux hybrides permettent d'obtenir la résistance nécessaire tout en offrant des avantages en matière de développement durable.

Les propriétés des pièces imprimées avec les filaments et les poudres susmentionnés sont généralement similaires à celles des matières premières d'origine. Les qualités mécaniques telles que la résistance à la traction sont également préservées par le processus de fabrication additive avec des matières premières d'impression 3D recyclées. Cela confirme leur viabilité pour des applications fonctionnelles.

Dans l'ensemble, la fabrication additive durable utilisant des déchets post-consommation, post-industriels ou agricoles réduit considérablement l'impact sur l'environnement par rapport à la fabrication conventionnelle. Des recherches sont en cours sur de nouveaux matériaux recyclés, Impression 3D de haute qualité est en passe de devenir une technologie plus écologique.

Recyclage en boucle des impressions 3D

Sur demande, l'impression 3D permet un prototypage et une fabrication rapides, mais il arrive souvent que les impressions ratées ou non fonctionnelles soient jetées à la poubelle, communément appelée décharge, en raison des nombreux problèmes posés par le broyage mécanique et la réutilisation... Cela pose des problèmes de durabilité en raison de l'utilisation de matériaux vierges à forte consommation d'énergie. Le recyclage en boucle fermée offre une solution efficace en récupérant divers matériaux d'impression 3D recyclés.

Problèmes de recyclage des impressions échouées

Les impressions FDM ratées peuvent contenir des supports infiltrés qui interfèrent avec le recyclage mécanique. De même, les résines SLA durcies avec des pièces défectueuses ne peuvent pas être recyclées mécaniquement en raison de la réticulation pendant le durcissement. Les matériaux à base de poudre nécessitent également un traitement spécial en raison de propriétés telles que l'oxydabilité.

Approches en matière de recyclage chimique

Les nouvelles technologies de recyclage chimique peuvent décomposer les impressions de polymères, de résines et de poudres au niveau moléculaire. Par exemple, les pièces ABS défectueuses réduites en poudre subissent une dépolymérisation à l'aide de solvants chimiques pour récupérer les monomères ABS purs. Ces monomères peuvent ensuite être repolymérisés pour être réutilisés directement sous forme de filaments sans perte de qualité.

Les résines des imprimantes SLA/DLP sont recyclées par impression 3D à l'aide de techniques similaires de dépolymérisation ou de solvolyse, ce qui permet d'obtenir des photopolymères propres à réutiliser. Les pièces métalliques et céramiques défectueuses provenant de SLS/SLM peuvent être lixiviées à l'acide ou précipitées pour séparer les alliages en vue d'une réatomisation.

Réutilisation des poudres dans la SLS/SLM

Le post-traitement offre une alternative au recyclage chimique pour les systèmes à base de poudre. Les excédents de poudre non utilisée des machines SLS/SLM sont simplement récupérés, tamisés pour éliminer les impuretés et réutilisés sans effet significatif sur les propriétés ou les performances d'impression. Cela permet d'économiser plus de 95% de coûts de matériaux.

Le recyclage en boucle fermée permet de mettre en place une économie circulaire pour Impression 3D à grande échelle en éliminant les déchets et la dépendance à l'égard des ressources vierges. Grâce à de nouvelles améliorations, le processus peut être mis à l'échelle des utilisateurs industriels et commerciaux afin de réaliser une fabrication additive entièrement durable. Associé à des filaments et à des poudres durables, il fait de l'impression 3D un paradigme de fabrication écologique.

Approvisionnement local en matières premières recyclées

Pour une chaîne d'approvisionnement véritablement durable, les matériaux d'impression 3D recyclés doivent être obtenus aussi localement que possible afin de réduire les émissions dues au transport. Les modèles de recyclage décentralisés permettent de résoudre ce problème.

Les petites installations de recyclage communautaires peuvent collecter localement les déchets plastiques post-industriels et les déchets ménagers post-consommation. Après un tri et une purification de base, ces plastiques sont transformés en filaments pour imprimantes 3D grâce à des lignes d'extrusion à petite échelle.

Les filaments finis sont ensuite distribués aux écoles, bibliothèques ou entreprises environnantes avec des Imprimantes 3D. Par exemple, une initiative de recyclage rural peut collecter des disques d'équipement agricole et des bouteilles ménagères dans un rayon de 80 km pour fabriquer des filaments de PLA utilisés par les makerspaces locaux.

Ce système local en boucle fermée élimine les charges de transport de plastique. Il permet également aux communautés d'établir des chaînes d'approvisionnement circulaires indépendantes avec une dépendance minimale à l'égard des marchés centralisés de matières vierges.

Matériaux renouvelables et biodégradables

L'impression 3D durable va au-delà des plastiques recyclés et intègre des matériaux d'origine végétale et biodégradables.

Les résines produites à partir de matières premières agricoles telles que le maïs et la canne à sucre constituent des alternatives renouvelables aux résines SLA à base de pétrole. Les composites utilisant des résidus agricoles et forestiers comme la farine de bois ou les fibres de chanvre améliorent encore la durabilité.

Les bioplastiques et les biorésines garantissent que les pièces imprimées peuvent se dégrader en toute sécurité à la fin de leur vie sans générer de microplastiques. Lorsqu'ils sont combinés avec des boucles de production à petite échelleCes matériaux renouvelables permettent d'établir un paradigme de fabrication net-zéro.

L'approvisionnement écologique en matières premières et la production de pièces biodégradables sont essentiels pour faire de l'impression 3D une méthode de production respectueuse de l'environnement pour l'avenir.

Conclusion

Les améliorations actuelles de l'impression 3D et des matériaux utilisés ont fait de la technologie de fabrication additive la technologie de pointe de l'industrie manufacturière actuelle. Toutefois, pour que la production 3D soit durable, l'ensemble du processus, du matériau utilisé au produit final, doit s'inscrire dans une économie circulaire.
Les stratégies évoquées dans cet article, telles que l'utilisation de matériaux d'impression 3D recyclés et de matières premières renouvelables, le recyclage des matériaux en boucle fermée et la production localisée à petite échelle, permettent d'aborder les aspects liés au développement durable tout au long de la chaîne de valeur de l'impression 3D. L'adoption généralisée de ces approches écologiques peut réduire la dépendance à l'égard des plastiques vierges, des transports lourds et des énergies non renouvelables.

Dans l'ensemble, le passage à des ressources localisées, basées sur les déchets et renouvelables fait de l'impression 3D recyclée un paradigme de fabrication qui n'est pas seulement abordable et personnalisé, mais aussi respectueux de l'environnement. Cela permet de réaliser le plein potentiel de la fabrication additive pour un avenir durable.

FAQ

Q : Toutes les technologies d'impression 3D peuvent-elles utiliser des matériaux recyclés ?

R : Alors que le FDM et certains procédés à lit de poudre peuvent utiliser des thermoplastiques d'impression 3D recyclés et des poudres métalliques respectivement, d'autres technologies comme le SLA peuvent avoir des problèmes avec les résines précuites. La recherche et le développement en cours permettent d'élargir les procédés compatibles.

Q : Est-ce vraiment plus durable que d'utiliser des plastiques vierges ?

R : Oui, la réutilisation des déchets plastiques réduit considérablement l'impact sur l'environnement par rapport à l'extraction de nouveaux plastiques à partir de combustibles fossiles par le biais de processus à forte intensité énergétique. Même s'il faut faire des compromis en termes de qualité, il s'agit d'une solution plus écologique.

Q : Quel est le coût typique des filaments vierges ?

R : Les filaments d'impression 3D recyclés sont généralement 10-30% moins chers que les filaments vierges comparables, car les coûts des matériaux sont moins élevés. Au fur et à mesure que le recyclage s'intensifie, les prix devraient baisser davantage.