リサイクル3Dプリンティング：環境に優しい生産のための持続可能なソリューション

この論文では、熱可塑性プラスチックとパウダーのローカルおよびクローズドループリサイクルを使用して、リサイクル3Dプリント材料をより環境に優しいものにするための新しいアプローチについて検討します。産業廃棄物と消費者廃棄物の両方の流れ、および農業副産物から植物由来の原料に至る再生可能資源の利用について検討します。この論文では、リサイクルを通じたライフサイクル全体の材料調達を伴う持続可能なアプローチを取り上げます。

この記事で著者は、より持続可能な基本材料と技術に移行することで、3Dプリンティングを信頼できるグリーンテックにすることができると述べています。この記事では、リサイクル3Dプリンティングと再生可能な材料をAMに使用する新たな機会について考察しています。また、材料の調達、使用、使用終了の完了に関連して、持続可能な実践の可能性にも焦点を当てています。その目的は、最も効果的な3Dプリンティングのリサイクルループを定義するために使用できる、現在のクローズドループのベストプラクティスを開発することです。

リサイクル3Dプリント材料とは何ですか？

リサイクル3Dプリンティングは、再製造3Dプリンティングとも呼ばれ、3Dプリンターの原料に消費者や産業廃棄物を使用します。その代わりに、リサイクル可能な熱可塑性プラスチックやその他の供給材料を、機能部品や製品の3Dプリントに適したフィラメント、パウダー、ペレットに変換します。現代国家の推計によると、消費者レベルに関連する使用済み材料の総量のうち、約5～10%が3Dプリンターに使用されると予測されています。 3Dプリンティング は再生資源を使用しています。

このようなリサイクル製品には、PLA（古い電子製品やプラスチックからの廃棄物）、ABS（使用済みプラスチックや家庭用プラスチックからの廃棄物）、PETG（プラスチック包装材からの廃棄物）のような、3D印刷に最もよく使用される熱可塑性プラスチックのリサイクル版が含まれます。これらは洗浄、破砕され、3Dプリンターで使用するのに適したフィラメントに押し出されます。

リサイクル3Dプリンティングの利点

廃棄物および埋立地使用量の削減

リサイクル3Dプリンティングは、消費者使用後のプラスチックやその他の廃棄物を、既存の極めて乏しい埋立地に投棄することを回避することで、環境負荷の転換に重要な役割を果たします。さらに、そうしなければゴミ捨て場に捨てられてしまうような材料のリサイクルを促進します。

バージン原料への依存度の低減

リサイクルされた3Dプリント用フィラメントや材料は、産業廃棄物や地方自治体の廃棄物の流れから得られるため、エネルギーを大量に消費する採掘や掘削プロセスを通じて環境から新たな原材料を採取する必要性が低くなります。

省エネルギー

リサイクル材料を3Dプリンター原料に分解する場合、バージン材料の抽出、加工、輸送に比べ、エネルギー消費量が少なくて済みます。このような結果は、最終的に、製造プロセスだけでなく、開発された製品のライフサイクルにおいても多くのエネルギーを消費します。

3Dプリント用の一般的なリサイクル材料

PLA、ABS、PETGなどのプラスチック

これらはすべて、消費者使用後のプラスチック廃棄物の大きな割合を占めています。そのため、機械的および熱的特性により、溶融フィラメント製造（FFF）タイプの3Dプリントプロセスに適しています。

コンクリート、木材などの建築資材

廃コンクリートや鋸屑を再処理し、バインダーと組み合わせることで、大型構造部品を3Dプリントするための再生コンクリートや木材フィラメントを製造することができます。

金属、植物性繊維

でも 3D金属プリンティング 製造工程で発生するスクラップの粉末や、農業廃棄物から発生する植物由来の繊維は、現在リサイクル3Dプリント材料に変換されています。

今後の展望と課題

リサイクル3Dプリンティングは徐々に受け入れられつつありますが、使用と環境効果の見通しを高めることは可能です。消費者使用後のプラスチックの種類ごとに異なるストリームを導入することで、3Dプリント部品のリサイクル率の向上につながります。ワールド・ワイド・ウェブも有望で、リサイクル可能性試験と認証の標準的な方針を作ることで、消費者にこの技術を受け入れてもらうことができます。しかし、リサイクル・フィラメントの品質と力学は、一般的な品質の一貫性にまだいくつかの問題があります。

FDM印刷用環境に優しいフィラメント

アモルファス業界では一般的に、溶融堆積モデリング(周波数分割多重)タイプの3Dプリンターは、プラスチック、フィラメント材料を使用します。いくつかのフィラメントタイプは、従来の含油プラスチックと比較してより良いソリューションを提供します。

PLA

ポリ乳酸(PLA)フィラメントは、コーンスターチ、タピオカの根、サトウキビなどの植物に由来するバイオ素材です。100%はEU各国の基準に従ってリサイクル可能で、完全に分解して堆肥化することができます。同時に、PLA素材から作られた部品は丈夫ですが、耐熱性はありません。

PETG

PETグリコールまたはPETGフィラメントは、消費者使用後の前処理品から直接製造されます。 PET 容器やボトルABSのように比較的硬く光沢のある印刷が可能ですが、有毒ガスの発生はありません。 PETG それでも数年間は強いままです。

PC-ABS

PC-ABSは、ポリカーボネート樹脂と、ポリカーボネート樹脂の共重合体です。 ABS このフィラメントは、許容できる衝撃強度と剛性を持ち、大きな荷重を支えることができます。フィラメントは、バージンPC-ABSに匹敵する原料性能で、最大30%のリサイクル3Dプリントを維持します。

ナイロン

ナイロンフィラメント ナイロン6 は菜種油やヒマシ豆から作られる可能性があり、化石油ベースのナイロンへの依存を減らすことができます。機能的なプロトタイピングや製造に適した、弾力性のある強靭なプリントを実現します。

竹、木、紙

これらの植物由来のフィラメントは、竹粉、おがくず、紙の粒子などの農業副産物をバイオプラスチックと結合させたものです。印刷された部品は、自然な木や紙のような質感です。

食品廃棄物

ブドウやオレンジの皮などの食品廃棄物も、発酵やコンパウンド工程を経て持続可能なフィラメントに生まれ変わりました。特性は一般的な3Dプリント用プラスチックに似ています。

SLA/DLPおよびSLS/SLM印刷用リサイクル材料

金属粉

金属粉 選択的レーザー焼結 (SLS）と溶融（SLM）は、機械加工くずからステンレス鋼、工具鋼、アルミニウムなどのリサイクル3Dプリントコンテンツを組み込むことができます。特性は未加工の金属と同じです。

ポリマー

フォトポリマーの再利用 ステレオリソグラフィ (SLA)およびデジタル光プロセス(DLP)3Dプリンティングは、不要になったプロトタイピング材料から生まれます。リサイクル性の評価は必要ですが、性能はバージン樹脂インクと同等です。

複合粉体

リサイクル金属とセラミックスを組み合わせた粉末は、機能部品用SLSの可能性を示しています。ハイブリッド材料は、持続可能性の利点とともに必要な強度を実現します。

上述したフィラメントとパウダーの両方でプリントされた部品の特性は、一般的に元の原材料を模倣しています。引張強さなどの機械的性質も、リサイクル3Dプリント原料を使用した積層造形プロセスによって維持されます。このことは、機能的な用途に使用できることを裏付けています。

ポストコンシューマー、ポストインダストリアル、または農業廃棄物を使用した全体的に持続可能な付加製造は、従来の製造に比べて環境への影響を大幅に削減します。新たなリサイクル材料の研究が進行中です、 高品質3Dプリント は、より環境に優しい技術になる準備が整っています。

3Dプリントのクローズドループリサイクル

オンデマンドで、迅速なプロトタイピングと製造を利用する3Dプリントでは、多くの場合、失敗したプリントや機能しないプリントは、機械的な破砕や再利用から生じる多くの課題のために、一般的に埋め立て地として知られる廃棄物箱に投棄されます...これは、エネルギー集約型のバージン材料の使用による持続可能性への懸念を提起します。クローズドループリサイクルは、さまざまなリサイクル3Dプリント材料を回収することで、効果的なソリューションを提供します。

失敗したプリントのリサイクルに関する問題

失敗したFDMプリントには、メカニカルリサイクルを妨げる浸潤サポートが含まれている可能性があります。同様に、失敗したパーツで硬化したSLA樹脂は、硬化中に架橋するため、直接メカニカルリサイクルを行うことができません。粉末ベースの材料も、酸化性などの特性により特殊な処理が必要です。

ケミカルリサイクルアプローチ

新しいケミカルリサイクル技術は、ポリマー、樹脂、パウダープリントを分子レベルで分解することができます。例えば、粉砕されたABS部品は、化学溶剤を使って解重合を行い、純粋なABSモノマーを回収します。このモノマーを再重合することで、品質を損なうことなくフィラメントとして再利用することができます。

SLA/DLPプリンターの樹脂は、同様の解重合またはソルボリシス技術を使用して3Dプリンティングでリサイクルされ、再利用のためのクリーンなフォトポリマーが得られます。SLS/SLMで失敗した金属やセラミック部品は、酸浸出または沈殿を利用して合金を分離し、再アトマイズすることができます。

SLS/SLMにおける粉体の再利用

後処理は、パウダーベースのシステムにおいて、ケミカルリサイクルに代わる方法を提供します。SLS/SLM装置から排出される余剰の未使用パウダーを回収し、ふるい分けして不純物を除去するだけで、特性や印刷性能に大きな影響を与えることなく再利用できます。これにより、95%以上の材料コストを削減できます。

クローズド・ループ・リサイクルは、循環型経済を確立します。 大規模3Dプリンティング 廃棄物をなくし、バージン資源への依存をなくすことで、材料を削減します。さらに改良を加えれば、このプロセスは産業用および商業用ユーザー向けに拡張可能であり、完全に持続可能な付加製造が実現します。持続可能なインプットフィラメントやパウダーと組み合わせることで、3Dプリンティングをグリーン製造のパラダイムとして確立することができます。

リサイクル原料の現地調達

真に持続可能なサプライチェーンのためには、リサイクルされた3Dプリント材料は、輸送による排出を最小限に抑えるために、できるだけ地元で調達されるべきです。分散型リサイクルモデルは、この問題に対処します。

小規模な地域密着型のリサイクル施設は、産業廃棄物や家庭廃棄物を地元で回収することができます。基本的な選別と精製の後、これらのプラスチックは小規模な押出ラインを使って3Dプリンターのフィラメントに変換されます。

完成したフィラメントは、近隣の学校、図書館、企業などに配布されます。 3Dプリンター.例えば、農村部でのリサイクル活動では、50マイル圏内の農機具のディスクや家庭用ボトルを回収し、地元のメーカースペースで使用されるPLAフィラメントを作ることができます。

この地域に根ざしたクローズド・ループ・システムは、プラスチック輸送の負荷を排除します。また、中央集権的なバージン原料市場への依存を最小限に抑え、独立した循環型サプライチェーンを確立する力を地域社会に与えます。

再生可能素材と生分解性素材

持続可能な3Dプリンティングは、再生プラスチックだけでなく、植物由来の素材や生分解性素材を取り入れています。

トウモロコシやサトウキビなどの農業原料から生産される樹脂は、石油ベースのSLA樹脂に代わる再生可能な選択肢を提供します。木粉や麻繊維のような農業残渣や森林残渣を使用した複合材料は、持続可能性をさらに向上させます。

バイオプラスチックとバイオレジンは、印刷された部品がマイクロプラスチックを発生させることなく、使用後に安全に分解されることを保証します。地元の 小規模生産ループこのような再生可能素材は、ネット・ゼロの製造パラダイムを確立します。

原料のグリーン調達と生分解性部品の生産は、3Dプリンティングを未来の環境に優しい生産方法として位置づけるための鍵です。

結論

現在の3Dプリンティングと使用材料の改良により、積層造形技術は現在の製造業界をリードする技術となっています。しかし、3D製造が持続可能であるためには、使用される材料から最終製品に至るプロセス全体が循環経済を描く必要があります。
リサイクル3Dプリンティングや再生可能な原料の使用、クローズドループ材料のリサイクル、地域化された小規模生産など、この記事で取り上げた戦略は、3Dプリンティングのバリューチェーン全体で持続可能性の側面に対処するのに役立ちます。このようなグリーンなアプローチを広く採用することで、バージンプラスチック、重い輸送、再生不可能なエネルギーへの依存を最小限に抑えることができます。

全体として、地域に根ざした、廃棄物ベースの、再生可能な資源へのシフトは、リサイクル3Dプリンティングを、手頃な価格でカスタマイズできるだけでなく、環境にも優しい製造パラダイムとして確立します。これは、持続可能な未来に向けた付加製造の可能性を最大限に実現するのに役立ちます。

よくあるご質問

Q: すべての3Dプリント技術でリサイクル材料を使用できますか？

A: FDMや一部のパウダーベッドプロセスでは、リサイクルされた3Dプリンティング用熱可塑性プラスチックや金属粉末をそれぞれ使用できますが、SLAのような他のテクノロジーでは、硬化前の樹脂に問題があるかもしれません。現在進行中の研究開発では、互換性のあるプロセスを拡大しています。

Q：バージンプラスチックを使うよりも、本当に持続可能なのですか？

A: はい、廃プラスチックの再利用は、化石燃料からエネルギーを大量に消費する工程を経て新しいプラスチックを抽出するのに比べ、環境への影響を大幅に削減します。多少の品質上のトレードオフはあるにせよ、より環境に優しい選択肢です。

Q:バージンフィラメントと比較して、一般的にどのくらいのコストがかかりますか？

A: リサイクルされた3Dプリントフィラメントは、材料コストが低いため、通常、同等のバージンフィラメントよりも10-30%安くなります。リサイクルの規模がさらに拡大すれば、価格はさらに下がることが予想されます。