Pencetakan 3D daur ulang: Solusi Berkelanjutan untuk Produksi Ramah Lingkungan

Makalah ini mengulas pendekatan baru untuk membuat bahan cetak 3D daur ulang yang lebih ramah lingkungan menggunakan daur ulang termoplastik dan bubuk secara lokal dan tertutup. Penggunaan aliran limbah pasca-industri dan pasca-konsumen serta sumber daya terbarukan dari produk sampingan pertanian hingga bahan baku yang berasal dari bahan nabati dieksplorasi. Makalah ini mencakup pendekatan berkelanjutan yang mencakup seluruh siklus hidup sumber bahan melalui daur ulang.

Dalam artikel ini, penulis menjelaskan bagaimana peralihan ke bahan dan teknik dasar yang lebih berkelanjutan dapat membuat pencetakan 3D menjadi teknologi ramah lingkungan yang kredibel. Artikel ini membahas peluang baru untuk menggunakan pencetakan 3D daur ulang dan bahan terbarukan untuk AM. Sehubungan dengan sumber, penggunaan, dan penyelesaian akhir bahan, kemungkinan praktik berkelanjutan juga difokuskan. Tujuannya adalah untuk mengembangkan serangkaian praktik terbaik loop tertutup saat ini yang dapat digunakan untuk menentukan loop daur ulang pencetakan 3D yang paling efektif.

Apa itu Bahan Cetak 3D Daur Ulang?

Pencetakan 3D daur ulang juga dikenal sebagai pencetakan 3d yang diproduksi ulang melibatkan penggunaan limbah pasca konsumen dan pasca industri dalam umpan untuk printer 3D. Alih-alih, ini berfungsi dengan mengubah termo-plastik yang dapat didaur ulang dan bahan umpan lainnya menjadi filamen, bubuk atau pelet yang siap untuk pencetakan 3D komponen dan produk fungsional. Perkiraan negara modern memperkirakan bahwa sekitar 5-10% dari total bahan yang digunakan berkaitan dengan tingkat konsumen Pencetakan 3D berasal dari sumber daya daur ulang.

Produk daur ulang tersebut termasuk versi daur ulang dari termoplastik pencetakan 3D yang paling umum digunakan seperti PLA yang diperoleh dari limbah barang elektronik dan plastik bekas, ABS dari plastik bekas dan plastik rumah tangga, serta PETG dari bahan kemasan plastik bekas. Bahan-bahan ini kemudian dibersihkan dan diparut serta diekstrusi menjadi filamen yang sesuai untuk digunakan dalam printer 3D.

Manfaat Pencetakan 3D Daur Ulang

Pengurangan limbah dan penggunaan tempat pembuangan akhir (TPA)

Melalui hal ini dengan menghindari pembuangan plastik pasca-konsumen dan limbah lainnya di tempat pembuangan sampah yang ada dan sangat langka, pencetakan 3D daur ulang memainkan peran kunci dalam menggeser beban lingkungan. Terlebih lagi, ini mempromosikan daur ulang bahan yang seharusnya dibuang di tempat pembuangan sampah.

Ketergantungan yang lebih rendah pada bahan baku murni

Karena filamen dan bahan cetak 3D daur ulang diperoleh dari aliran limbah industri dan kota, hal ini mengurangi kebutuhan untuk mengekstraksi bahan baku baru dari lingkungan melalui proses penambangan atau pengeboran yang boros energi.

Penghematan energi

Penguraian bahan daur ulang menjadi bahan baku printer 3D menggunakan lebih sedikit energi dibandingkan dengan mengekstraksi bahan baku, memproses dan mengangkutnya. Hasil seperti itu pada akhirnya menghabiskan banyak energi dalam proses manufaktur serta dalam siklus hidup produk yang dikembangkan.

Bahan Daur Ulang Umum untuk Pencetakan 3D

Plastik seperti PLA, ABS, PETG

Semuanya merupakan persentase yang besar dari sampah plastik pasca-konsumen. Oleh karena itu, sifat mekanik dan termalnya membuatnya cocok untuk jenis fabrikasi filamen leburan (FFF) pada proses pencetakan 3D.

Bahan bangunan seperti beton, kayu

Limbah beton dan serbuk gergaji dapat diproses ulang dan dikombinasikan dengan pengikat untuk menghasilkan beton daur ulang dan filamen kayu untuk pencetakan 3D bagian struktural yang besar.

Logam, serat nabati

Bahkan Pencetakan logam 3D serbuk dari sisa-sisa manufaktur dan serat nabati dari limbah pertanian kini diubah menjadi bahan cetak 3D daur ulang.

Cakupan dan Tantangan di Masa Depan

Meskipun pencetakan 3D daur ulang secara bertahap diterima lebih banyak, namun masih memungkinkan untuk meningkatkan prospek penggunaan dan efek lingkungan. Penerapan aliran yang berbeda untuk setiap jenis plastik pasca-konsumen, akan meningkatkan persentase konten daur ulang dalam komponen cetakan 3D. World Wide Web juga menjanjikan karena membuat kebijakan standar untuk uji daur ulang dan sertifikasi juga dapat membangun penerimaan konsumen terhadap teknologi ini. Namun, kualitas dan mekanisme filamen daur ulang masih menimbulkan beberapa masalah dengan konsistensi kualitas secara umum.

Filamen Ramah Lingkungan untuk Pencetakan FDM

Industri amorf biasanya mengacu pada pemodelan deposisi leburan (FDM) jenis printer 3D yang menggunakan bahan plastik filamen. Beberapa jenis filamen memberikan solusi yang lebih baik dibandingkan dengan plastik konvensional yang mengandung minyak.

PLA

Ini adalah asam polilaktat (PLA) filamen yang merupakan bahan berbasis bio yang berarti berasal dari tanaman misalnya pati jagung, akar tapioka atau tebu. Bahan ini dapat didaur ulang 100% sesuai dengan standar setiap negara Uni Eropa; bahan ini dapat terurai dan menjadi kompos sepenuhnya. Pada saat yang sama, komponen yang terbuat dari bahan PLA kuat tetapi tidak tahan panas

PETG

Filamen PET glikol atau PETG berasal langsung dari pra-pemrosesan pasca-konsumen PET wadah dan botol. Bahan ini menghasilkan cetakan yang relatif keras dan mengkilap seperti ABS, tetapi benar-benar bebas dari segala jenis emisi gas beracun. PETG masih tetap kuat selama beberapa tahun.

PC-ABS

PC-ABS adalah kopolimer polikarbonat dan ABS yang memiliki kekuatan benturan yang dapat diterima, kekakuan dan dapat menopang beban yang signifikan. Filamen mempertahankan pencetakan 3D daur ulang hingga 30% dengan performa bahan baku yang sebanding dengan PC-ABS murni.

Nilon

Filamen nilon seperti Nilon-6 dapat dibuat dari minyak biji rapa atau biji jarak, sehingga mengurangi ketergantungan pada nilon berbasis minyak fosil. Bahan ini menghasilkan cetakan yang tangguh dan tangguh yang cocok untuk pembuatan prototipe dan manufaktur fungsional.

Bambu, kayu, kertas

Filamen berbahan dasar tanaman ini memanfaatkan produk sampingan pertanian seperti bubuk bambu, serbuk gergaji, atau partikel kertas yang diikat dengan bioplastik. Bagian yang dicetak memiliki tekstur alami seperti kayu atau kertas.

Limbah makanan

Bahkan limbah makanan termasuk kulit anggur dan jeruk telah diubah menjadi filamen yang berkelanjutan melalui proses fermentasi dan peracikan. Sifatnya menyerupai plastik cetak 3D pada umumnya.

Bahan Daur Ulang untuk Pencetakan SLA/DLP dan SLS/SLM

Bubuk logam

Serbuk logam untuk sintering laser selektif (SLS) dan peleburan (SLM) dapat menggabungkan konten pencetakan 3D daur ulang seperti baja tahan karat, baja perkakas dan aluminium dari sisa-sisa mesin. Properti yang sesuai dengan kekuatan logam mentah.

Polimer

Fotopolimer digunakan kembali untuk stereolitografi (SLA) dan pencetakan 3D pemrosesan cahaya digital (DLP) berasal dari bahan prototipe yang tidak lagi diperlukan. Performa tetap setara dengan tinta resin murni meskipun kemampuan daur ulangnya perlu dievaluasi.

Bubuk komposit

Serbuk yang menggabungkan logam dan keramik daur ulang menunjukkan potensi SLS untuk komponen fungsional. Bahan hibrida mencapai kekuatan yang diperlukan bersama dengan manfaat keberlanjutan.

Properti komponen yang dicetak dengan filamen dan bubuk yang dibahas di atas, pada umumnya meniru bahan baku aslinya. Kualitas mekanis seperti kekuatan tarik juga dipertahankan melalui proses manufaktur aditif dengan bahan baku pencetakan 3D daur ulang. Hal ini menegaskan kelayakannya untuk aplikasi fungsional.

Secara keseluruhan, manufaktur aditif berkelanjutan yang menggunakan limbah pasca-konsumen, pasca-industri, atau pertanian secara signifikan mengurangi dampak lingkungan dibandingkan dengan manufaktur konvensional. Dengan penelitian yang sedang berlangsung dalam bahan daur ulang baru, pencetakan 3D berkualitas tinggi siap menjadi teknologi yang lebih ramah lingkungan.

Daur Ulang Lingkaran Tertutup untuk Cetakan 3D

Sesuai permintaan, dengan 3D Printed yang memanfaatkan pembuatan prototipe dan manufaktur yang cepat, seringkali hasil cetakan yang gagal atau tidak berfungsi biasanya dibuang ke tempat sampah yang umumnya dikenal sebagai tempat pembuangan sampah karena berbagai tantangan yang timbul dari penghancuran dan penggunaan kembali secara mekanis... Hal ini menimbulkan masalah keberlanjutan karena penggunaan bahan baru yang intensif energi. Daur ulang loop tertutup menawarkan solusi yang efektif dengan memulihkan berbagai bahan cetak 3D daur ulang.

Masalah dengan daur ulang cetakan yang gagal

Cetakan FDM yang gagal mungkin mengandung penyangga yang disusupi yang mengganggu daur ulang mekanis. Demikian pula, resin SLA yang diawetkan dengan komponen yang gagal tidak dapat menjalani daur ulang mekanis secara langsung karena adanya ikatan silang selama pengawetan. Bahan berbasis bubuk juga memerlukan pemrosesan khusus karena sifatnya yang mudah teroksidasi.

Pendekatan daur ulang bahan kimia

Teknologi daur ulang kimia baru dapat mengurai polimer, resin, dan cetakan bubuk pada tingkat molekuler. Misalnya, komponen ABS yang gagal yang digiling menjadi bubuk menjalani depolimerisasi menggunakan pelarut kimia untuk mengambil monomer ABS murni. Monomer ini kemudian dapat dipolimerisasi ulang untuk digunakan kembali secara langsung sebagai filamen tanpa kehilangan kualitas.

Resin dari printer SLA/DLP didaur ulang dengan pencetakan 3D menggunakan teknik depolimerisasi atau solvolisis yang serupa, menghasilkan fotopolimer bersih untuk digunakan kembali. Komponen logam dan keramik yang gagal dari SLS / SLM dapat menggunakan pencucian asam atau pengendapan untuk memisahkan paduan untuk atomisasi ulang.

Menggunakan kembali bubuk dalam SLS/SLM

Pasca-pemrosesan memberikan alternatif untuk daur ulang bahan kimia untuk sistem berbasis bubuk. Kelebihan bubuk yang tidak terpakai dari mesin SLS/SLM dikumpulkan kembali, diayak untuk menghilangkan kotoran dan digunakan kembali tanpa efek signifikan pada properti atau performa pencetakan. Hal ini dapat menghemat lebih dari 95% biaya material.

Daur ulang loop tertutup membentuk ekonomi sirkular untuk pencetakan 3D skala besar bahan dengan menghilangkan limbah dan ketergantungan pada sumber daya alam. Dengan penyempurnaan lebih lanjut, proses ini dapat diskalakan untuk pengguna industri dan komersial untuk mewujudkan manufaktur aditif yang sepenuhnya berkelanjutan. Dikombinasikan dengan filamen dan bubuk input yang berkelanjutan, proses ini menetapkan pencetakan 3D sebagai paradigma manufaktur hijau.

Sumber Bahan Baku Daur Ulang Lokal

Untuk rantai pasokan yang benar-benar berkelanjutan, bahan cetak 3D daur ulang harus bersumber dari sumber lokal untuk meminimalkan emisi transportasi. Model daur ulang yang terdesentralisasi dapat mengatasi masalah ini.

Fasilitas daur ulang kecil berbasis komunitas dapat mengumpulkan sampah plastik pasca-industri dan sampah rumah tangga pasca-konsumen secara lokal. Setelah pemilahan dan pemurnian dasar, plastik-plastik ini dikonversi menjadi filamen printer 3D menggunakan jalur ekstrusi skala kecil.

Filamen yang sudah jadi kemudian didistribusikan ke sekolah, perpustakaan, atau bisnis terdekat dengan Printer 3D. Sebagai contoh, inisiatif daur ulang pedesaan dapat mengumpulkan cakram peralatan pertanian dan botol rumah tangga dalam jarak 50 mil untuk membuat filamen PLA yang digunakan oleh pembuat lokal.

Sistem loop tertutup yang terlokalisasi ini menghilangkan banyak transportasi plastik. Sistem ini juga memberdayakan masyarakat untuk membangun rantai pasokan sirkular yang independen dengan ketergantungan minimum pada pasar bahan baku yang terpusat.

Bahan Terbarukan dan Mudah Terurai

Pencetakan 3D yang berkelanjutan melampaui plastik daur ulang untuk menggabungkan bahan nabati dan bahan yang dapat terurai secara hayati.

Resin yang diproduksi dari bahan baku pertanian seperti jagung dan tebu memberikan alternatif terbarukan untuk resin SLA berbasis minyak bumi. Komposit yang menggunakan residu pertanian dan hutan seperti tepung kayu atau serat rami semakin meningkatkan keberlanjutan.

Bioplastik dan bioresin memastikan komponen yang dicetak dapat terurai dengan aman di akhir masa pakainya tanpa menghasilkan mikroplastik. Ketika dikombinasikan dengan loop produksi skala kecilbahan terbarukan tersebut membentuk paradigma manufaktur nol-nol.

Sumber bahan baku yang ramah lingkungan dan hasil komponen yang dapat terurai secara hayati adalah kunci untuk memposisikan pencetakan 3D sebagai metode produksi ramah lingkungan di masa depan.

Kesimpulan

Peningkatan terkini dalam pencetakan 3D dan bahan yang digunakan telah menjadikan teknologi manufaktur aditif sebagai teknologi terdepan dalam industri manufaktur saat ini. Namun, agar produksi 3D dapat berkelanjutan, seluruh proses mulai dari bahan yang digunakan hingga produk akhir harus menggambarkan ekonomi sirkular.
Strategi yang dibahas dalam artikel ini seperti menggunakan pencetakan 3D daur ulang dan bahan baku terbarukan, daur ulang material loop tertutup, dan produksi skala kecil yang terlokalisasi membantu mengatasi aspek keberlanjutan di seluruh rantai nilai pencetakan 3D. Adopsi pendekatan ramah lingkungan yang meluas dapat meminimalkan ketergantungan pada plastik murni, transportasi berat, dan energi tak terbarukan.

Secara keseluruhan, pergeseran ke sumber daya lokal, berbasis limbah dan terbarukan menetapkan pencetakan 3D daur ulang sebagai paradigma manufaktur yang tidak hanya terjangkau dan dapat disesuaikan, tetapi juga ramah lingkungan. Hal ini membantu mewujudkan potensi penuh manufaktur aditif menuju masa depan yang berkelanjutan.

Pertanyaan Umum

T: Dapatkah semua teknologi pencetakan 3D menggunakan bahan daur ulang?

J: Meskipun FDM dan sebagian proses powder-bed dapat menggunakan termoplastik cetak 3D daur ulang dan serbuk logam, namun teknologi lain, seperti SLA, mungkin mengalami masalah dengan resin yang sudah diawetkan sebelumnya. Litbang yang sedang berlangsung sedang memperluas proses yang kompatibel.

T: Apakah ini benar-benar lebih berkelanjutan daripada menggunakan plastik murni?

J: Ya, menggunakan kembali sampah plastik secara signifikan mengurangi dampak lingkungan dibandingkan mengekstraksi plastik baru dari bahan bakar fosil melalui proses yang boros energi. Bahkan dengan beberapa pertukaran kualitas, ini adalah alternatif yang lebih ramah lingkungan.

T: Berapa biaya yang biasanya dikeluarkan dibandingkan dengan filamen murni?

J: Filamen pencetakan 3D daur ulang biasanya 10-30% lebih murah daripada filamen murni yang sebanding, karena biaya bahan lebih rendah. Seiring dengan meningkatnya skala daur ulang, harga diperkirakan akan semakin berkurang.