Stampa 3D riciclata: Soluzioni sostenibili per una produzione ecologica

Questo articolo esamina nuovi approcci per rendere i Materiali di stampa 3D riciclati più ecologici, utilizzando il riciclo locale e a ciclo chiuso di termoplastiche e polveri. Viene esplorato l'uso di flussi di rifiuti post-industriali e post-consumo, nonché di risorse rinnovabili, dai sottoprodotti agricoli alle materie prime derivate da materiali di origine vegetale. Questo documento copre gli approcci sostenibili che comportano l'approvvigionamento di materiali per l'intero ciclo di vita, fino al riciclo.

In questo articolo, l'autore descrive come il passaggio a materiali e tecniche di base più sostenibili possa rendere la stampa 3D una tecnologia verde credibile. Esamina le nuove opportunità di utilizzare materiali riciclati per la stampa 3D e materiali rinnovabili per l'AM. In relazione all'approvvigionamento, all'uso e al completamento finale dei materiali, si concentrano anche le possibili pratiche sostenibili. L'obiettivo è quello di sviluppare una serie di best practice attuali a ciclo chiuso, che possono essere utilizzate per definire il ciclo di riciclo della stampa 3D più efficace.

Che cos'è il materiale di stampa 3D riciclato?

La stampa 3D riciclata, nota anche come stampa 3D rigenerata, prevede l'utilizzo di rifiuti post-consumo e post-industriali nell'alimentazione delle stampanti 3D. Funziona invece convertendo le termoplastiche riciclabili e altri materiali di alimentazione in filamenti, polveri o pellet pronti per la stampa 3D di parti e prodotti funzionali. Le stime degli Stati moderni prevedono che circa 5-10% del totale dei materiali usati appartenenti al livello di consumo Stampa 3D proviene da risorse riciclate.

Tali prodotti riciclati includono le versioni riciclate delle termoplastiche più comunemente utilizzate per la stampa 3D, come il PLA, ottenuto dai rifiuti di vecchi prodotti elettronici e plastici, l'ABS da plastiche usate e plastiche domestiche e il PETG da rifiuti di materiali di imballaggio in plastica. Questi vengono poi puliti, triturati ed estrusi in filamenti adatti all'uso nelle stampanti 3D.

Vantaggi della stampa 3D riciclata

Riduzione dei rifiuti e dell'uso della discarica

In questo modo, evitando di scaricare la plastica post-consumo e altri rifiuti nelle discariche esistenti ed estremamente scarse, la stampa 3D riciclata svolge un ruolo chiave nello spostamento del carico ambientale. Inoltre, promuove il riciclaggio di materiali che altrimenti verrebbero gettati nelle discariche.

Minore dipendenza da materie prime vergini

Poiché i filamenti e i materiali di stampa 3D riciclati sono ottenuti da flussi di rifiuti industriali e municipali, si riduce la necessità di estrarre nuove materie prime dall'ambiente attraverso processi di estrazione o di perforazione ad alta intensità energetica.

Risparmio energetico

La scomposizione dei materiali riciclati in materiale di alimentazione per stampanti 3D utilizza meno energia rispetto all'estrazione di materiali vergini, alla loro lavorazione e al loro trasporto. Questo risultato, alla fine, consuma molta energia nel processo di produzione e nel ciclo di vita del prodotto sviluppato.

Materiali riciclati comuni per la stampa 3D

Plastiche come PLA, ABS, PETG

Tutti loro costituiscono una grande percentuale di rifiuti plastici post-consumo. Pertanto, le loro proprietà meccaniche e termiche le rendono adatte al processo di stampa 3D di tipo fused filament fabrication (FFF).

Materiali da costruzione come cemento, legno

Il calcestruzzo di scarto e la polvere di sega possono essere rilavorati e combinati con leganti per produrre calcestruzzo riciclato e filamenti di legno per la stampa 3D di grandi parti strutturali.

Metalli, fibre vegetali

Anche Stampa 3D del metallo Le polveri provenienti da scarti di produzione e le fibre vegetali provenienti da rifiuti agricoli vengono ora convertite in materiali di stampa 3D riciclati.

Ambito e sfide future

Anche se la stampa 3D riciclata viene gradualmente accettata di più, è possibile migliorare le prospettive di utilizzo e gli effetti ambientali. L'implementazione di un flusso diverso per ogni tipo di plastica post-consumo porta a migliorare la percentuale di contenuto di riciclo nelle parti stampate in 3D. Anche il World Wide Web è promettente, in quanto la definizione di politiche standard per i test e le certificazioni di riciclabilità può favorire l'accettazione della tecnologia da parte dei consumatori. Tuttavia, la qualità e la meccanica dei filamenti riciclati presentano ancora alcuni problemi di coerenza qualitativa generale.

Filamenti ecologici per la stampa FDM

L'industria amorfa si riferisce comunemente alla modellazione a deposizione fusa (FDM) tipo di stampanti 3D che utilizzano materiali plastici, filamenti. Diversi tipi di filamenti offrono soluzioni migliori rispetto alle plastiche convenzionali contenenti olio.

PLA

Si tratta di un acido polilattico (PLA) che è un materiale a base biologica, il che significa che proviene da piante come l'amido di mais, le radici di tapioca o la canna da zucchero. Sono 100% riciclabili secondo gli standard di tutti i Paesi dell'Unione Europea; possono essere decomposti e compostati completamente. Allo stesso tempo, le parti realizzate in PLA sono robuste ma non resistenti al calore.

PETG

Il filamento di PET glicole o PETG viene ricavato direttamente dal pre-lavorato post-consumo. PET contenitori e bottiglie. Offre stampe relativamente dure e lucide come l'ABS, ma sono completamente prive di qualsiasi tipo di emissione di gas tossici. PETG rimane ancora forte per diversi anni.

PC-ABS

Il PC-ABS è un copolimero di policarbonato e di ABS che ha una resistenza agli urti, una rigidità accettabile e può sostenere carichi significativi. I filamenti mantengono una stampa 3D riciclata fino a 30%, con prestazioni della materia prima paragonabili a quelle del PC-ABS vergine.

Nylon

I filamenti di nylon come Nylon-6 potrebbero essere creati dall'olio di colza o dai fagioli di ricino, riducendo la dipendenza dal nylon a base di petrolio fossile. Offrono stampe resilienti e resistenti, adatte alla prototipazione e alla produzione funzionale.

Bambù, legno, carta

Questi filamenti a base vegetale sfruttano i sottoprodotti agricoli come la polvere di bambù, la segatura o le particelle di carta legate alla bioplastica. Le parti stampate hanno una consistenza naturale simile al legno o alla carta.

Rifiuti alimentari

Anche gli scarti alimentari, come le bucce d'uva e d'arancia, sono stati trasformati in filamenti sostenibili attraverso processi di fermentazione e compounding. Le proprietà assomigliano alle comuni plastiche per la stampa 3D.

Materiali riciclati per la stampa SLA/DLP e SLS/SLM

Polvere di metallo

Polveri metalliche per sinterizzazione laser selettiva (SLS) e la fusione (SLM) possono incorporare contenuti di stampa 3D riciclati come l'acciaio inossidabile, l'acciaio per utensili e l'alluminio provenienti da scarti di lavorazione. Le proprietà corrispondono a quelle dei poteri metallici grezzi.

Polimeri

I fotopolimeri vengono riutilizzati per stereolitografia (SLA) e la stampa 3D con elaborazione digitale della luce (DLP) derivano da materiali di prototipazione non più necessari. Le prestazioni rimangono equivalenti all'inchiostro di resina vergine, anche se la riciclabilità richiede una valutazione.

Polveri composite

Le polveri che combinano metalli e ceramiche riciclate mostrano un potenziale nella SLS per le parti funzionali. I materiali ibridi raggiungono la forza necessaria insieme ai vantaggi della sostenibilità.

Le proprietà delle parti stampate con i filamenti e le polveri di cui sopra emulano generalmente le materie prime originali. Anche le qualità meccaniche, come la resistenza alla trazione, vengono preservate attraverso il processo di produzione additiva con materie prime di stampa 3D riciclate. Questo conferma la loro fattibilità per le applicazioni funzionali.

Nel complesso, la produzione additiva sostenibile che utilizza rifiuti post-consumo, post-industriali o agricoli riduce significativamente l'impatto ambientale rispetto alla produzione convenzionale. Con la ricerca continua di nuovi materiali riciclati, stampa 3D di alta qualità è pronta a diventare una tecnologia più verde.

Riciclo a ciclo chiuso delle stampe 3D

Su richiesta, con la stampa 3D che utilizza la prototipazione e la produzione rapida, molte volte le stampe fallite o non funzionali vengono solitamente gettate nel bidone dei rifiuti, comunemente noto come discarica, a causa delle numerose sfide derivanti dalla frantumazione meccanica e dal riutilizzo... Questo pone problemi di sostenibilità a causa dell'uso di materiali vergini ad alta intensità energetica. Il riciclaggio a ciclo chiuso offre una soluzione efficace, recuperando vari materiali di stampa 3D riciclati.

Problemi con il riciclo delle stampe fallite

Le stampe FDM fallite possono contenere supporti infiltrati che interferiscono con il riciclo meccanico. Allo stesso modo, le resine SLA polimerizzate con parti fallite non possono essere sottoposte a riciclo meccanico diretto a causa della reticolazione durante l'indurimento. Anche i materiali a base di polvere richiedono un trattamento speciale a causa di proprietà come l'ossidabilità.

Approcci di riciclo chimico

Le nuove tecnologie di riciclaggio chimico possono scomporre le stampe di polimeri, resine e polveri a livello molecolare. Ad esempio, i pezzi ABS falliti ridotti in polvere vengono depolimerizzati con solventi chimici per recuperare i monomeri ABS puri. Questi monomeri possono poi essere ripolimerizzati per il riutilizzo diretto come filamenti senza perdita di qualità.

Le resine delle stampanti SLA/DLP vengono riciclate dalla stampa 3D utilizzando tecniche simili di depolimerizzazione o solvolisi, ottenendo fotopolimeri puliti da riutilizzare. Le parti in metallo e ceramica fallite da SLS/SLM possono utilizzare la lisciviazione acida o la precipitazione per separare le leghe per la riatomizzazione.

Riutilizzare le polveri in SLS/SLM

La post-elaborazione offre un'alternativa al riciclo chimico per i sistemi a base di polveri. Le polveri in eccesso non utilizzate dalle macchine SLS/SLM vengono semplicemente raccolte, setacciate per rimuovere le impurità e riutilizzate senza effetti significativi sulle proprietà o sulle prestazioni di stampa. In questo modo, si evitano oltre 95% di costi di materiale.

Il riciclaggio a circuito chiuso stabilisce un'economia circolare per stampa 3D su larga scala materiali, eliminando gli sprechi e la dipendenza da risorse vergini. Con ulteriori perfezionamenti, il processo è scalabile per gli utenti industriali e commerciali, per realizzare una produzione additiva completamente sostenibile. In combinazione con filamenti e polveri sostenibili, la stampa 3D diventa un paradigma di produzione verde.

Approvvigionamento locale di materie prime riciclate

Per una catena di approvvigionamento veramente sostenibile, i materiali di stampa 3D riciclati dovrebbero essere reperiti il più possibile a livello locale, per ridurre al minimo le emissioni dovute al trasporto. I modelli di riciclaggio decentralizzati affrontano questo problema.

Piccole strutture di riciclaggio basate sulla comunità possono raccogliere localmente i rottami di plastica post-industriali e i rifiuti domestici post-consumo. Dopo una cernita e una purificazione di base, queste plastiche vengono trasformate in filamenti per stampanti 3D, utilizzando linee di estrusione su piccola scala.

I filamenti finiti sono poi distribuiti alle scuole, alle biblioteche o alle aziende vicine con Stampanti 3D. Ad esempio, un'iniziativa di riciclaggio rurale può raccogliere i dischi delle attrezzature agricole e le bottiglie domestiche nel raggio di 50 miglia, per produrre filamenti di PLA utilizzati dai makerspace locali.

Questo sistema localizzato a ciclo chiuso elimina i carichi di trasporto della plastica. Inoltre, consente alle comunità di creare catene di approvvigionamento circolari indipendenti, con una dipendenza minima dai mercati centralizzati di materiali vergini.

Materiali rinnovabili e biodegradabili

La stampa 3D sostenibile va oltre la plastica riciclata per incorporare materiali a base vegetale e biodegradabili.

Le resine prodotte da materie prime agricole come il mais e la canna da zucchero offrono alternative rinnovabili alle resine SLA a base di petrolio. I compositi che utilizzano residui agricoli e forestali, come la farina di legno o le fibre di canapa, migliorano ulteriormente la sostenibilità.

Le bioplastiche e le bioresine assicurano che le parti stampate possano degradarsi in modo sicuro alla fine del ciclo di vita, senza generare microplastiche. Se combinate con i prodotti locali loop di produzione su piccola scalaTali materiali rinnovabili stabiliscono un paradigma di produzione a zero.

L'approvvigionamento ecologico delle materie prime e la produzione di parti biodegradabili sono fondamentali per posizionare la stampa 3D come metodo di produzione ecologico del futuro.

Conclusione

Gli attuali miglioramenti nella stampa 3D e nei materiali utilizzati hanno reso la tecnologia di produzione additiva la tecnologia leader nell'attuale industria manifatturiera. Tuttavia, affinché la produzione 3D sia sostenibile, l'intero processo, dal materiale utilizzato al prodotto finale, dovrebbe rappresentare l'economia circolare.
Le strategie discusse in questo articolo, come l'utilizzo di materie prime riciclate per la stampa 3D e rinnovabili, il riciclo dei materiali a ciclo chiuso e la produzione localizzata su piccola scala, aiutano ad affrontare gli aspetti della sostenibilità lungo tutta la catena del valore della stampa 3D. L'adozione diffusa di questi approcci verdi può ridurre al minimo la dipendenza dalla plastica vergine, dai trasporti pesanti e dall'energia non rinnovabile.

Complessivamente, il passaggio a risorse localizzate, basate sui rifiuti e rinnovabili stabilisce che la stampa 3D riciclata è un paradigma di produzione non solo accessibile e personalizzato, ma anche ecologico. Questo aiuta a realizzare il pieno potenziale della produzione additiva verso un futuro sostenibile.

Domande frequenti

D: Tutte le tecnologie di stampa 3D possono utilizzare materiali riciclati?

R: Mentre la FDM e alcuni processi a letto di polvere possono utilizzare rispettivamente termoplastiche e polveri metalliche riciclate per la stampa 3D, altre tecnologie come la SLA possono avere problemi con le resine pre-indurite. La ricerca e lo sviluppo in corso stanno ampliando i processi compatibili.

D: È davvero più sostenibile rispetto all'utilizzo di plastica vergine?

R: Sì, il riutilizzo dei rifiuti di plastica riduce significativamente l'impatto ambientale rispetto all'estrazione di nuova plastica da combustibili fossili attraverso processi ad alta intensità energetica. Anche con alcuni compromessi sulla qualità, si tratta di un'alternativa più ecologica.

D: Quanto costa in genere rispetto ai filamenti vergini?

R: I filamenti di stampa 3D riciclati sono solitamente 10-30% più economici rispetto ai filamenti vergini comparabili, poiché i costi dei materiali sono inferiori. Con l'aumento della scala del riciclaggio, si prevede che i prezzi si ridurranno ulteriormente.