재활용 3D 프린팅: 친환경 생산을 위한 지속 가능한 솔루션

이 백서에서는 열가소성 플라스틱과 파우더의 로컬 및 폐쇄 루프 재활용을 사용하여 재활용 3D 프린팅 재료를 보다 환경 친화적으로 만드는 새로운 접근 방식을 검토합니다. 산업 후 및 소비 후 폐기물 흐름과 농업 부산물부터 식물 기반 재료에서 추출한 공급 원료에 이르기까지 재생 가능한 자원을 모두 사용하는 방법을 살펴봅니다. 이 백서에서는 재활용을 통한 전체 수명 주기 재료 조달을 수반하는 지속 가능한 접근 방식을 다룹니다.

이 글에서 저자는 보다 지속 가능한 기본 재료와 기술로 전환하여 3D 프린팅을 신뢰할 수 있는 친환경 기술로 만드는 방법을 설명합니다. 또한 재활용 3D 프린팅과 재생 가능한 재료를 적층 제조에 사용할 수 있는 새로운 기회를 살펴봅니다. 재료의 조달, 사용 및 사용 종료와 관련하여 가능한 지속 가능한 관행도 중점적으로 다룹니다. 가장 효과적인 3D 프린팅 재활용 루프를 정의하는 데 사용할 수 있는 일련의 최신 폐쇄 루프 모범 사례를 개발하는 것이 목표입니다.

재활용 3D 프린팅 재료란 무엇인가요?

재생 3D 프린팅은 재제조 3D 프린팅이라고도 하며 3D 프린터의 피드에 소비 후 폐기물 및 산업 폐기물을 사용하는 것을 포함합니다. 대신 재활용 가능한 열가소성 플라스틱 및 기타 공급 재료를 필라멘트, 분말 또는 펠릿으로 변환하여 기능성 부품 및 제품을 3D 프린팅할 수 있도록 합니다. 현대 국가의 추정에 따르면 소비자 수준과 관련된 총 사용 재료의 약 5-10%는 다음과 같이 예측됩니다. 3D 프린팅 는 재활용 자원으로 만들어집니다.

이러한 재활용 제품에는 오래된 전자 제품 및 플라스틱 폐기물에서 얻은 PLA, 폐플라스틱 및 가정용 플라스틱에서 얻은 ABS, 폐플라스틱 포장재에서 얻은 PETG와 같이 가장 일반적으로 사용되는 3D 프린팅 열가소성 플라스틱의 재활용 버전이 포함됩니다. 그런 다음 이를 세척하고 파쇄하여 3D 프린터에 사용하기에 적합한 필라멘트로 압출합니다.

재활용 3D 프린팅의 이점

폐기물 및 매립지 사용량 감소

재활용 3D 프린팅은 소비 후 플라스틱 및 기타 폐기물이 기존의 극도로 부족한 매립지에 버려지는 것을 방지함으로써 환경 부담을 줄이는 데 중요한 역할을 합니다. 뿐만 아니라 쓰레기 매립지에 버려질 수 있는 재료의 재활용을 촉진합니다.

원재료에 대한 의존도 감소

재활용 3D 프린팅 필라멘트와 재료는 산업 및 도시 폐기물에서 얻기 때문에 에너지 집약적인 채굴이나 시추 과정을 통해 환경으로부터 새로운 원료를 추출할 필요성이 줄어듭니다.

에너지 절약

재활용 재료를 3D 프린터 공급 원료로 분해하는 과정은 원료를 추출하고 가공하고 운반하는 과정에 비해 에너지 사용량이 적습니다. 결국 이러한 결과는 제조 과정뿐만 아니라 개발된 제품의 수명 주기 동안에도 많은 에너지를 소비합니다.

3D 프린팅용 일반 재활용 재료

PLA, ABS, PETG와 같은 플라스틱

이들 모두는 소비 후 플라스틱 폐기물의 상당 부분을 차지합니다. 따라서 기계적 및 열적 특성으로 인해 융합 필라멘트 제조(FFF) 유형의 3D 프린팅 공정에 적합합니다.

콘크리트, 목재와 같은 건축 자재

폐 콘크리트와 톱밥을 재처리하고 바인더와 결합하여 대형 구조 부품을 3D 프린팅할 수 있는 재활용 콘크리트 및 목재 필라멘트를 생산할 수 있습니다.

금속, 식물성 섬유

심지어 3D 금속 프린팅 제조 스크랩에서 나온 분말과 농업 폐기물에서 나온 식물성 섬유를 재활용 3D 프린팅 재료로 전환하고 있습니다.

향후 범위와 과제

재활용 3D 프린팅이 점차 더 많이 수용되고 있지만, 사용 가능성과 환경 영향에 대한 전망을 높일 수 있습니다. 모든 유형의 소비 후 플라스틱에 대해 서로 다른 흐름을 구현하면 3D 프린팅 부품의 재활용 콘텐츠 비율이 향상됩니다. 또한 재활용성 테스트 및 인증에 대한 표준 정책을 만들면 소비자들의 기술 수용도를 높일 수 있기 때문에 3D 프린팅은 유망한 분야입니다. 그러나 재활용 필라멘트의 품질과 역학은 여전히 일반적인 품질 일관성 측면에서 몇 가지 문제를 안고 있습니다.

FDM 인쇄용 친환경 필라멘트

아몰퍼스 산업은 일반적으로 융합 증착 모델링(FDM) 플라스틱 필라멘트 소재를 사용하는 3D 프린터 유형입니다. 여러 필라멘트 유형은 기존의 오일 함유 플라스틱에 비해 더 나은 솔루션을 제공합니다.

PLA

폴리락트산(PLA) 필라멘트는 옥수수 전분, 타피오카 뿌리 또는 사탕수수와 같은 식물에서 유래한 바이오 기반 소재입니다. 모든 유럽연합 국가의 표준에 따라 100% 재활용이 가능하며 완전히 분해되어 퇴비화할 수 있습니다. 동시에 PLA 소재로 만든 부품은 튼튼하지만 내열성이 없습니다.

PETG

PET 글리콜 또는 PETG 필라멘트는 소비 후 전처리된 제품에서 직접 추출합니다. PET 용기와 병에 사용할 수 있습니다. ABS처럼 비교적 단단하고 광택이 있는 인쇄물을 만들 수 있지만 유독 가스를 전혀 배출하지 않습니다. PETG 는 몇 년 동안 여전히 강세를 유지하고 있습니다.

PC-ABS

PC-ABS는 폴리카보네이트의 공중합체와 ABS 허용 가능한 충격 강도와 강성을 가지며 상당한 하중을 지탱할 수 있습니다. 필라멘트는 최대 30%의 재활용 3D 프린팅을 유지하며 원재료 성능은 버진 PC-ABS와 비슷합니다.

나일론

다음과 같은 나일론 필라멘트 나일론-6 는 유채씨 오일이나 피마자 콩으로 만들 수 있어 화석 석유 기반 나일론에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다. 기능성 프로토타이핑 및 제조에 적합한 탄력 있고 견고한 인쇄물을 제공합니다.

대나무, 나무, 종이

이 식물성 필라멘트는 대나무 가루, 톱밥 또는 종이 입자를 바이오 플라스틱과 결합한 농업 부산물을 활용합니다. 인쇄된 부품은 천연 나무 또는 종이와 같은 질감을 가지고 있습니다.

음식물 쓰레기

포도와 오렌지 껍질 등 음식물 쓰레기도 발효와 배합 과정을 거쳐 지속 가능한 필라멘트로 탈바꿈했습니다. 속성은 일반적인 3D 프린팅 플라스틱과 유사합니다.

SLA/DLP 및 SLS/SLM 인쇄용 재생 재료

금속 분말

금속 분말 선택적 레이저 소결 (SLS) 및 용융(SLM)은 가공 스크랩에서 스테인리스 스틸, 공구강, 알루미늄과 같은 재활용 3D 프린팅 콘텐츠를 통합할 수 있습니다. 속성은 원재료 금속의 특성과 일치합니다.

폴리머

재사용되는 포토폴리머 스테레오리소그래피 (SLA) 및 디지털 광조형(DLP) 3D 프린팅은 더 이상 필요하지 않은 시제품 제작 재료에서 비롯됩니다. 재활용 가능성에 대한 평가가 필요하지만 성능은 버진 레진 잉크와 동등합니다.

복합 분말

재활용 금속과 세라믹을 결합한 파우더는 기능성 부품을 위한 SLS의 잠재력을 보여줍니다. 하이브리드 소재는 지속 가능성 이점과 함께 필요한 강도를 달성합니다.

위에서 설명한 필라멘트와 파우더로 프린트된 부품의 특성은 일반적으로 원본 원료를 모방합니다. 인장 강도와 같은 기계적 특성도 재활용 3D 프린팅 공급 원료를 사용한 적층 제조 공정을 통해 보존됩니다. 이를 통해 기능적 응용 분야에 대한 가능성을 확인할 수 있습니다.

소비 후, 산업 후 또는 농업 폐기물을 사용하는 지속 가능한 적층 제조는 기존 제조 방식에 비해 환경에 미치는 영향을 크게 줄입니다. 새로운 재활용 소재에 대한 연구가 계속되고 있습니다, 고품질 3D 프린팅 는 더 친환경적인 기술이 될 준비가 되어 있습니다.

3D 프린트의 폐쇄 루프 재활용

빠른 프로토타입 제작 및 제조를 위해 3D 프린팅을 사용하는 경우, 실패하거나 기능이 없는 출력물은 기계적인 파쇄 및 재사용으로 인해 발생하는 수많은 문제 때문에 일반적으로 매립지로 알려진 쓰레기통에 버려지는 경우가 많습니다... 이는 에너지 집약적인 원재료 사용으로 인해 지속 가능성 문제를 제기합니다. 폐루프 재활용은 다양한 재활용 3D 프린팅 재료를 회수하여 효과적인 솔루션을 제공합니다.

실패한 인쇄물 재활용 관련 문제

실패한 FDM 프린트에는 기계적 재활용을 방해하는 서포트가 침투되어 있을 수 있습니다. 마찬가지로 실패한 부품으로 경화된 SLA 레진은 경화 중 가교로 인해 직접적인 기계적 재활용이 불가능합니다. 분말 기반 재료도 산화성과 같은 특성으로 인해 특별한 처리가 필요합니다.

화학 물질 재활용 접근 방식

새로운 화학 재활용 기술은 폴리머, 수지 및 분말 인쇄물을 분자 수준에서 분해할 수 있습니다. 예를 들어, 분말로 분쇄된 고장난 ABS 부품은 화학 용매를 사용하여 해중합을 거쳐 순수한 ABS 모노머를 회수합니다. 그런 다음 이러한 모노머를 재중합하여 품질 손실 없이 필라멘트로 직접 재사용할 수 있습니다.

SLA/DLP 프린터의 수지는 유사한 해중합 또는 용해 기술을 사용하여 3D 프린팅을 재활용하여 재사용할 수 있는 깨끗한 광중합체를 생산합니다. SLS/SLM에서 실패한 금속 및 세라믹 부품은 산 침출 또는 침전을 활용하여 합금을 분리하여 재원자화할 수 있습니다.

SLS/SLM에서 분말 재사용하기

후처리는 파우더 기반 시스템의 화학적 재활용에 대한 대안을 제공합니다. SLS/SLM 장비에서 사용하지 않고 남은 파우더는 간단히 회수하여 체로 쳐서 불순물을 제거한 후 물성이나 인쇄 성능에 큰 영향을 주지 않고 재사용할 수 있습니다. 이를 통해 95% 이상의 재료 비용을 절감할 수 있습니다.

폐쇄 루프 재활용은 다음과 같은 순환 경제를 구축합니다. 대규모 3D 프린팅 폐기물을 없애고 자원에 대한 의존도를 낮출 수 있습니다. 이 프로세스는 더욱 개선되어 산업 및 상업 사용자가 완전히 지속 가능한 적층 제조를 실현할 수 있도록 확장할 수 있습니다. 지속 가능한 입력 필라멘트 및 파우더와 결합하여 3D 프린팅을 친환경 제조 패러다임으로 구축합니다.

재활용 원료의 현지 소싱

진정으로 지속 가능한 공급망을 위해서는 재활용 3D 프린팅 재료를 가능한 한 현지에서 조달하여 운송 배출을 최소화해야 합니다. 분산형 재활용 모델은 이 문제를 해결합니다.

소규모 지역 기반 재활용 시설은 산업 후 플라스틱 스크랩과 소비 후 가정 쓰레기를 현지에서 수거할 수 있습니다. 기본적인 분류와 정제를 거친 플라스틱은 소규모 압출 라인을 통해 3D 프린터 필라멘트로 변환됩니다.

완성된 필라멘트는 인근 학교, 도서관, 기업 등에 배포됩니다. 3D 프린터. 예를 들어, 농촌 재활용 이니셔티브에서는 50마일 이내의 농기구 디스크와 가정용 병을 수거하여 지역 메이커스페이스에서 사용하는 PLA 필라멘트를 만들 수 있습니다.

이 지역화된 폐쇄 루프 시스템은 많은 양의 플라스틱 운송을 제거합니다. 또한 지역 사회가 중앙 집중식 원자재 시장에 대한 의존도를 최소화하면서 독립적인 순환 공급망을 구축할 수 있도록 지원합니다.

재생 및 생분해성 소재

지속 가능한 3D 프린팅은 재활용 플라스틱을 넘어 식물 기반 및 생분해성 소재를 통합합니다.

옥수수와 사탕수수와 같은 농업용 원료로 생산된 수지는 석유 기반 SLA 수지를 대체할 수 있는 재생 가능한 대안이 될 수 있습니다. 목재 가루나 대마 섬유와 같은 농업 및 산림 잔여물을 사용한 복합재는 지속 가능성을 더욱 향상시킵니다.

바이오플라스틱과 바이오레진은 인쇄된 부품이 수명이 다할 때 미세 플라스틱을 생성하지 않고 안전하게 분해될 수 있도록 보장합니다. 로컬 소규모 생산 루프이러한 재생 가능한 소재는 탄소 배출 제로 제조 패러다임을 구축합니다.

공급 원료의 친환경 소싱과 생분해성 부품의 출력은 3D 프린팅이 미래의 친환경 생산 방식으로 자리매김하는 데 있어 핵심적인 요소입니다.

결론

현재 3D 프린팅과 사용되는 재료의 개선으로 적층 제조 기술은 현재 제조 산업을 선도하는 기술로 자리 잡았습니다. 그러나 3D 생산이 지속 가능하려면 사용되는 재료부터 최종 제품까지 전체 프로세스가 순환 경제를 구현해야 합니다.
재활용 3D 프린팅 및 재생 가능한 공급 원료 사용, 폐쇄 루프 재료 재활용, 현지화된 소규모 생산 등 이 글에서 논의한 전략은 3D 프린팅의 가치 사슬 전반에 걸쳐 지속 가능성 측면을 해결하는 데 도움이 됩니다. 이러한 친환경 접근 방식을 널리 채택하면 버진 플라스틱, 무거운 운송 수단, 재생 불가능한 에너지에 대한 의존도를 최소화할 수 있습니다.

전반적으로 지역화된 폐기물 기반 및 재생 가능한 자원으로의 전환은 재활용 3D 프린팅을 저렴하고 맞춤형일 뿐만 아니라 친환경적인 제조 패러다임으로 자리매김하고 있습니다. 이를 통해 지속 가능한 미래를 향한 적층 제조의 잠재력을 최대한 실현할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

Q: 모든 3D 프린팅 기술이 재활용 소재를 사용할 수 있나요?

A: FDM과 일부 파우더 베드 공정에서는 각각 재활용 3D 프린팅 열가소성 플라스틱과 금속 분말을 사용할 수 있지만, SLA와 같은 다른 기술에서는 사전 경화 레진에 문제가 있을 수 있습니다. 지속적인 R&D를 통해 호환 가능한 공정을 확대하고 있습니다.

Q: 버진 플라스틱을 사용하는 것보다 정말 더 지속 가능한가요?

A: 예, 폐플라스틱을 재사용하면 에너지 집약적인 공정을 통해 화석 연료에서 새로운 플라스틱을 추출하는 것보다 환경에 미치는 영향을 크게 줄일 수 있습니다. 약간의 품질 저하가 있더라도 친환경적인 대안입니다.

Q: 버진 필라멘트와 비교했을 때 일반적으로 비용이 얼마나 드나요?

A: 재활용 3D 프린팅 필라멘트는 재료 비용이 낮기 때문에 일반적으로 동급의 버진 필라멘트보다 10-30% 더 저렴합니다. 재활용이 더욱 확대되면 가격은 더 낮아질 것으로 예상됩니다.