Gerecycled 3D printen: Duurzame oplossingen voor milieuvriendelijke productie

In dit artikel wordt een overzicht gegeven van nieuwe benaderingen om gerecycled 3D-printmateriaal milieuvriendelijker te maken door gebruik te maken van lokale en gesloten kringlooprecycling van thermoplasten en poeders. Er wordt gekeken naar het gebruik van zowel post-industriële en post-consumer afvalstromen als hernieuwbare bronnen, van bijproducten uit de landbouw tot grondstoffen op basis van plantaardige materialen. Dit document behandelt duurzame benaderingen die het betrekken van materialen gedurende de hele levenscyclus door middel van recycling inhouden.

In dit artikel beschrijft de auteur hoe het overschakelen op duurzamere basismaterialen en technieken van 3D-printen een geloofwaardige groene technologie kan maken. Er wordt gekeken naar nieuwe mogelijkheden om gerecycled 3D printen en hernieuwbaar materiaal voor AM te gebruiken. Er wordt ook aandacht besteed aan mogelijke duurzame praktijken met betrekking tot de herkomst, het gebruik en de voltooiing aan het einde van het gebruik van materialen. Het doel is om een reeks huidige best practices voor gesloten kringlopen te ontwikkelen die gebruikt kunnen worden om de meest effectieve recyclingkringloop voor 3D-printen te definiëren.

Wat is gerecycled 3D printmateriaal?

Bij gerecycled 3D printen, ook wel bekend als remanufactured 3d printing, wordt post-consument en post-industrieel afval gebruikt als grondstof voor 3D printers. In plaats daarvan worden recyclebare thermoplastische kunststoffen en andere grondstoffen omgezet in filamenten, poeders of pellets die klaar zijn voor het 3D printen van functionele onderdelen en producten. Schattingen van moderne staten voorspellen dat ongeveer 5-10% van het totale gebruikte materiaal op consumentenniveau 3D afdrukken is afkomstig van gerecyclede grondstoffen.

Dergelijke gerecyclede producten zijn onder andere gerecyclede versies van de meest gebruikte thermoplasten voor 3D printen, zoals PLA dat verkregen wordt uit afval van oude elektronische goederen en kunststoffen, ABS uit gebruikte kunststoffen en huishoudelijke kunststoffen en PETG uit afval van kunststof verpakkingsmaterialen. Deze worden vervolgens gereinigd en versnipperd en geëxtrudeerd tot filamenten die geschikt zijn voor gebruik in 3D printers.

Voordelen van gerecycled 3D printen

Minder afval en stortplaatsen

Hierdoor wordt het dumpen van post-consument plastics en ander afval op de bestaande en uiterst schaarse stortplaatsen vermeden en speelt gerecycled 3D printen een belangrijke rol in het verschuiven van de milieubelasting. Bovendien bevordert het de recycling van materiaal dat anders op de vuilnisbelten gedumpt zou worden.

Minder afhankelijkheid van nieuwe grondstoffen

Omdat gerecyclede 3D-printfilamenten en materialen verkregen worden uit industriële en gemeentelijke afvalstromen, is het minder nodig om nieuwe grondstoffen uit het milieu te halen door middel van energie-intensieve mijnbouw- of boorprocessen.

Energiebesparing

Bij de verwerking van gerecyclede materialen tot grondstoffen voor 3D-printers wordt minder energie verbruikt dan bij het winnen van nieuwe materialen, de verwerking en het transport ervan. Zo'n resultaat verbruikt uiteindelijk veel energie tijdens het fabricageproces en in de levenscyclus van het ontwikkelde product.

Veelvoorkomende gerecyclede materialen voor 3D printen

Kunststoffen zoals PLA, ABS, PETG

Ze vormen allemaal een groot percentage van het plastic afval na consumptie. Hun mechanische en thermische eigenschappen maken ze dus geschikt voor het FFF (Fused filament fabrication)-type 3D-printproces.

Bouwmaterialen zoals beton, hout

Afvalbeton en zaagsel kunnen worden opgewerkt en gecombineerd met bindmiddelen om gerecycled beton en houtfilamenten te produceren voor het 3D-printen van grote structurele onderdelen.

Metalen, plantaardige vezels

Zelfs 3D metaal printen Poeders uit productieafval en plantaardige vezels uit landbouwafval worden nu omgezet in gerecyclede 3D-printmaterialen.

Toekomstig toepassingsgebied en uitdagingen

Hoewel gerecycled 3D printen steeds meer geaccepteerd wordt, is het mogelijk om de vooruitzichten voor gebruik en milieueffecten te verbeteren. De implementatie van een verschillende stroom voor elk type post-consumer plastic leidt tot een beter percentage recycling in de 3D-geprinte onderdelen. Het World Wide Web houdt ook een belofte in, omdat het maken van standaardbeleid voor recyclebaarheidstests en certificeringen ook kan bijdragen aan de acceptatie van de technologie door de consument. De kwaliteit en mechanica van de gerecyclede filamenten leveren echter nog steeds problemen op met de algemene kwaliteitsconsistentie.

Milieuvriendelijke filamenten voor FDM printen

De amorfe industrie verwijst gewoonlijk naar gesmolten afzettingsmodellering (FDM) type 3D-printers die plastic filamentmateriaal gebruiken. Verschillende soorten filamenten bieden betere oplossingen in vergelijking met conventionele oliehoudende kunststoffen.

PLA

Het is een polymelkzuur (PLA) filament dat biologisch materiaal is, wat betekent dat het afkomstig is van planten zoals maïszetmeel, tapiocawortels of suikerriet. Ze zijn 100% recyclebaar volgens de normen van elk land van de Europese Unie; ze kunnen volledig worden afgebroken en gecomposteerd. Tegelijkertijd zijn onderdelen van PLA-materiaal sterk, maar niet hittebestendig.

PETG

PET-glycol of PETG-filament wordt rechtstreeks verkregen uit post-consumer voorbewerkte PET containers en flessen. Het geeft relatief harde en glanzende afdrukken zoals ABS, maar is volledig vrij van de uitstoot van giftige gassen. PETG blijft nog enkele jaren sterk.

PC-ABS

PC-ABS is een copolymeer van polycarbonaat en ABS dat een aanvaardbare slagvastheid en stijfheid heeft en aanzienlijke belastingen kan dragen. Filamenten behouden tot 30% gerecycled 3D printen met grondstofprestaties die vergelijkbaar zijn met nieuw PC-ABS.

Nylon

Nylon filamenten zoals Nylon-6 kunnen worden gemaakt van raapzaadolie of castorbonen, waardoor ze minder afhankelijk worden van nylon op basis van fossiele olie. Ze leveren veerkrachtige, taaie prints die geschikt zijn voor functionele prototypes en productie.

Bamboe, hout, papier

Deze filamenten op plantaardige basis maken gebruik van bijproducten uit de landbouw, zoals bamboepoeder, zaagsel of papierdeeltjes, gebonden met bioplastics. De geprinte onderdelen hebben een natuurlijke hout- of papierachtige textuur.

Voedselverspilling

Zelfs voedselafval, zoals druiven- en sinaasappelschillen, zijn via fermentatie- en compoundeerprocessen omgezet in duurzame filamenten. De eigenschappen lijken op die van gewone 3D-printkunststoffen.

Gerecyclede materialen voor SLA/DLP en SLS/SLM afdrukken

Metaalpoeder

Metaalpoeders voor selectief lasersinteren (SLS) en smelten (SLM) kunnen gerecyclede 3D-printingbestanddelen zoals roestvrij staal, gereedschapsstaal en aluminium uit bewerkingsafval worden gebruikt. De eigenschappen komen overeen met die van ruwe metalen krachten.

Polymeren

Fotopolymeren hergebruikt voor stereolithografie (SLA) en digitale lichtverwerking (DLP) 3D-printen komen van prototypematerialen die niet langer nodig zijn. De prestaties blijven gelijk aan die van maagdelijke harsinkt, hoewel de recyclebaarheid geëvalueerd moet worden.

Samengestelde poeders

Poeders die gerecyclede metalen en keramiek combineren, tonen potentieel in SLS voor functionele onderdelen. Hybride materialen bereiken de nodige sterkte in combinatie met duurzaamheidsvoordelen.

De eigenschappen van onderdelen die worden geprint met de filamenten en poeders die hierboven zijn besproken, komen over het algemeen overeen met de oorspronkelijke grondstoffen. Mechanische eigenschappen zoals treksterkte blijven ook behouden tijdens het additieve productieproces met gerecyclede 3D-printgrondstoffen. Dit bevestigt hun levensvatbaarheid voor functionele toepassingen.

Over het algemeen vermindert duurzame additieve productie met behulp van post-consumer, post-industrieel of landbouwafval de milieueffecten aanzienlijk in vergelijking met conventionele productie. Met lopend onderzoek naar nieuwe gerecyclede materialen, hoogwaardig 3D printen staat op het punt om een groenere technologie te worden.

Kringloopsluiting van 3D prints

On demand, met 3D-printing die gebruik maakt van snelle prototyping en fabricage, worden mislukte of niet-functionele prints vaak gedumpt in de afvalbak die algemeen bekend staat als de vuilnisbelt, vanwege de vele problemen die voortkomen uit het mechanisch versnipperen en hergebruiken... Dit leidt tot zorgen over duurzaamheid vanwege het gebruik van energie-intensieve nieuwe materialen. Closed-loop recycling biedt een effectieve oplossing door verschillende gerecyclede 3D printmaterialen terug te winnen.

Problemen met het recyclen van mislukte afdrukken

Mislukte FDM-prints kunnen geïnfiltreerde dragers bevatten die mechanische recycling in de weg staan. Op dezelfde manier kunnen SLA-harsen met mislukte onderdelen geen directe mechanische recycling ondergaan vanwege de verknoping tijdens het uitharden. Op poeder gebaseerde materialen vereisen ook speciale verwerking vanwege eigenschappen zoals oxideerbaarheid.

Chemische recyclingbenaderingen

Nieuwe chemische recyclingtechnologieën kunnen prints van polymeren, harsen en poeders op moleculair niveau afbreken. Zo worden kapotte ABS-onderdelen die tot poeder vermalen zijn, gedepolymeriseerd met chemische oplosmiddelen om zuivere ABS-monomeren te verkrijgen. Deze monomeren kunnen dan opnieuw gepolymeriseerd worden voor direct hergebruik als filamenten zonder kwaliteitsverlies.

Harsen van SLA/DLP-printers worden bij 3D-printen gerecycled met vergelijkbare depolymerisatie- of solvolyse-technieken, waardoor schone fotopolymeren voor hergebruik ontstaan. Bij mislukte metalen en keramische onderdelen van SLS/SLM kan gebruik worden gemaakt van zure uitloging of precipitatie om legeringen te scheiden voor heratomisatie.

Poeders hergebruiken in SLS/SLM

Nabewerking biedt een alternatief voor chemische recycling voor poedersystemen. Overtollig ongebruikt poeder van SLS/SLM-machines wordt gewoon opgehaald, gezeefd om onzuiverheden te verwijderen en hergebruikt zonder noemenswaardig effect op de eigenschappen of drukprestaties. Hierdoor worden meer dan 95% aan materiaalkosten bespaard.

Gesloten kringlooprecycling creëert een circulaire economie voor grootschalig 3D printen materialen door afval en afhankelijkheid van nieuwe grondstoffen te elimineren. Met verdere verfijningen is het proces schaalbaar voor industriële en commerciële gebruikers om volledig duurzame additieve productie te realiseren. In combinatie met duurzame filamenten en poeders wordt 3D-printen een groen productieparadigma.

Lokale inkoop van gerecyclede grondstoffen

Voor een echt duurzame toeleveringsketen moeten gerecyclede 3D printmaterialen zo lokaal mogelijk worden ingekocht om transportemissies te minimaliseren. Gedecentraliseerde recyclingmodellen pakken dit probleem aan.

Kleine recyclagefaciliteiten op gemeenschapsniveau kunnen lokaal postindustrieel kunststofschroot en huishoudelijk afval na consumptie inzamelen. Na een eenvoudige sortering en zuivering worden deze kunststoffen met behulp van kleinschalige extrusielijnen omgezet in 3D printerfilamenten.

De afgewerkte filamenten worden vervolgens gedistribueerd naar nabijgelegen scholen, bibliotheken of bedrijven met 3D-printers. Een landelijk recyclinginitiatief kan bijvoorbeeld schijven van landbouwmachines en huishoudflessen binnen een straal van 50 mijl inzamelen om PLA-filamenten te maken die door lokale makerspaces worden gebruikt.

Dit gelokaliseerde gesloten kringloopsysteem elimineert ladingen plastic transport. Het stelt gemeenschappen ook in staat om onafhankelijke circulaire toeleveringsketens op te zetten met een minimale afhankelijkheid van gecentraliseerde markten voor nieuw materiaal.

Hernieuwbare en biologisch afbreekbare materialen

Duurzaam 3D printen gaat verder dan gerecycled plastic en omvat ook plantaardige en biologisch afbreekbare materialen.

Harsen geproduceerd uit landbouwgrondstoffen zoals maïs en suikerriet bieden hernieuwbare alternatieven voor op aardolie gebaseerde SLA-harsen. Composieten die gebruik maken van landbouw- en bosresten zoals houtmeel of hennepvezels verbeteren de duurzaamheid nog verder.

Bioplastics en bioresins zorgen ervoor dat geprinte onderdelen aan het einde van hun levensduur veilig kunnen worden afgebroken zonder dat er microplastics ontstaan. In combinatie met lokale kleinschalige productielussenDergelijke hernieuwbare materialen zorgen voor een netto nul productieparadigma.

Groene grondstoffen en biologisch afbreekbare onderdelen zijn essentieel om 3D-printen te positioneren als een milieuvriendelijke productiemethode van de toekomst.

Conclusie

De huidige verbeteringen op het gebied van 3D-printen en de gebruikte materialen hebben van additieve productietechnologie de toonaangevende technologie in de huidige productie-industrie gemaakt. 3D-productie kan echter alleen duurzaam zijn als het hele proces, van het gebruikte materiaal tot het eindproduct, een circulaire economie is.
De strategieën die in dit artikel worden besproken, zoals het gebruik van gerecycled 3D-printmateriaal en hernieuwbare grondstoffen, materiaalrecycling in een gesloten kringloop en lokale kleinschalige productie, helpen bij het aanpakken van duurzaamheidsaspecten in de hele waardeketen van 3D-printing. Wijdverspreide toepassing van dergelijke groene benaderingen kan de afhankelijkheid van nieuwe kunststoffen, zwaar transport en niet-hernieuwbare energie minimaliseren.

In het algemeen zorgt een verschuiving naar lokale, op afval gebaseerde en hernieuwbare bronnen ervoor dat gerecycled 3D-printen een productieparadigma wordt dat niet alleen betaalbaar en op maat gemaakt is, maar ook milieuvriendelijk. Dit helpt om het volledige potentieel van additive manufacturing voor een duurzame toekomst te realiseren.

FAQs

V: Kunnen alle 3D-printtechnologieën gerecyclede materialen gebruiken?

A: Hoewel FDM en sommige poederbedprocessen gebruik kunnen maken van respectievelijk gerecyclede thermoplasten voor 3D-printen en metaalpoeders, kunnen andere technologieën zoals SLA problemen hebben met voorgeharde harsen. Lopende R&D is compatibele processen aan het uitbreiden.

V: Is het echt duurzamer dan het gebruik van nieuwe kunststoffen?

A: Ja, hergebruik van afvalplastic vermindert de impact op het milieu aanzienlijk in vergelijking met het winnen van nieuw plastic uit fossiele brandstoffen via energie-intensieve processen. Zelfs met wat kwaliteitsverlies is het een groener alternatief.

V: Hoeveel kost het meestal in vergelijking met nieuwe filamenten?

A: Gerecyclede 3D-printfilamenten zijn meestal 10-30% goedkoper dan vergelijkbare nieuwe filamenten omdat de materiaalkosten lager zijn. Naarmate recycling verder wordt opgeschaald, zullen de prijzen naar verwachting nog verder dalen.