3D-печать из вторсырья: Устойчивые решения для экологичного производства

В этой статье рассматриваются новые подходы к созданию более экологичных материалов для 3D-печати из вторсырья с использованием локальной и замкнутой переработки термопластов и порошков. Рассматривается использование как послепромышленных и послепотребительских отходов, так и возобновляемых ресурсов - от побочных продуктов сельского хозяйства до сырья, получаемого из растительных материалов. В данной статье рассматриваются устойчивые подходы, которые подразумевают поиск материалов на протяжении всего жизненного цикла и их переработку.

В этой статье автор рассказывает о том, как переход на более экологичные основные материалы и технологии может сделать 3D-печать надежной "зеленой" технологией. Он рассматривает новые возможности использования переработанных материалов для 3D-печати и возобновляемых материалов для AM. Также рассматриваются возможные устойчивые практики, связанные с поиском, использованием и завершением использования материалов. Цель - разработать набор современных лучших практик замкнутого цикла, которые могут быть использованы для определения наиболее эффективного цикла переработки 3D-печати.

Что такое переработанные материалы для 3D-печати?

Переработанная 3D-печать, также известная как восстановленная 3d-печать, предполагает использование потребительских и постпромышленных отходов в качестве сырья для 3D-принтеров. Вместо этого она функционирует путем преобразования перерабатываемых термопластиков и других исходных материалов в филаменты, порошки или гранулы, готовые для 3D-печати функциональных деталей и изделий. По оценкам современных государств, около 5-10% от общего объема использованных материалов, относящихся к потребительскому уровню 3D-печать изготавливается из переработанных ресурсов.

Такие переработанные продукты включают в себя переработанные версии наиболее распространенных термопластов для 3D-печати, таких как PLA, который получают из отходов старых электронных товаров и пластмасс, ABS из использованных пластмасс и бытовых пластмасс и PETG из отходов пластмассовых упаковочных материалов. Затем они очищаются, измельчаются и экструдируются в филаменты, пригодные для использования в 3D-принтерах.

Преимущества 3D-печати из вторсырья

Сокращение количества отходов и свалок

Благодаря этому, избегая захоронения пластика после потребления и других отходов на существующих и крайне скудных свалках, вторичная 3D-печать играет ключевую роль в смещении экологического бремени. Более того, она способствует вторичной переработке материалов, которые в противном случае были бы выброшены на свалки.

Меньшая зависимость от первичного сырья

Поскольку переработанные нити и материалы для 3D-печати получают из промышленных и муниципальных отходов, это уменьшает необходимость извлекать новое сырье из окружающей среды с помощью энергоемких процессов добычи или бурения.

Экономия энергии

При переработке вторичных материалов в сырье для 3D-принтера расходуется меньше энергии по сравнению с добычей первичных материалов, их переработкой и транспортировкой. В конечном итоге, такой результат потребляет много энергии в процессе производства, а также в течение всего жизненного цикла созданного продукта.

Распространенные переработанные материалы для 3D-печати

Пластмассы, такие как PLA, ABS, PETG

Все они составляют большой процент пластиковых отходов после потребления. Таким образом, их механические и термические свойства делают их подходящими для 3D-печати типа fused filament fabrication (FFF).

Строительные материалы, такие как бетон, дерево

Отходы бетона и древесная пыль могут быть переработаны и соединены со связующими веществами для получения вторичного бетона и древесных нитей для 3D-печати больших структурных деталей.

Металлы, волокна растительного происхождения

Даже 3D-печать металлом Порошки из производственного лома и растительные волокна из сельскохозяйственных отходов теперь превращаются в переработанные материалы для 3D-печати.

Будущие масштабы и проблемы

Несмотря на то, что 3D-печать из вторсырья постепенно получает все большее признание, можно улучшить перспективы использования и экологический эффект. Внедрение различных потоков для каждого типа пластика, полученного после переработки, приводит к повышению процента содержания вторичного сырья в 3D-печатных деталях. Всемирная паутина также многообещающа, поскольку стандартные правила проведения тестов и сертификации на пригодность к переработке также могут способствовать принятию этой технологии потребителями. Однако качество и механические свойства переработанных нитей все еще вызывают некоторые проблемы, связанные с общим постоянством качества.

Экологически чистые материалы для FDM-печати

Аморфная промышленность обычно относится к моделированию плавленым напылением (FDM) тип 3D-принтеров, использующих пластик, материал филамент. Несколько типов нитей обеспечивают лучшие решения по сравнению с обычными маслосодержащими пластиками.

PLA

Это полимолочная кислота (PLA) нить, которая является биоматериалом, что означает, что она происходит из растений, например, из кукурузного крахмала, корней тапиоки или сахарного тростника. Они 100% подлежат вторичной переработке в соответствии со стандартами всех стран Европейского Союза; их можно полностью разложить и компостировать. В то же время, детали из PLA-материала прочны, но не термостойки.

PETG

Гликоль ПЭТ или нить ПЭТГ получают непосредственно из предварительно обработанного после потребления ПЭТ контейнеры и бутылки. Он дает сравнительно твердые и блестящие отпечатки, как ABS, но при этом совершенно не выделяет токсичных газов. PETG сохраняет свою силу в течение нескольких лет.

PC-ABS

PC-ABS - это сополимер поликарбоната и ABS который обладает приемлемой ударной прочностью, жесткостью и может выдерживать значительные нагрузки. Пленки выдерживают до 30% при вторичной 3D-печати, а характеристики сырья сравнимы с первичным PC-ABS.

Нейлон

Нейлоновые нити, такие как Нейлон-6 могут быть созданы из рапсового масла или касторовых бобов, что снижает зависимость от нейлона на основе ископаемой нефти. Они обеспечивают эластичные и прочные отпечатки, подходящие для создания функциональных прототипов и производства.

Бамбук, дерево, бумага

Эти нити на растительной основе используют побочные продукты сельского хозяйства, такие как бамбуковый порошок, опилки или частицы бумаги, соединенные с биопластиком. Напечатанные детали имеют текстуру, напоминающую натуральное дерево или бумагу.

Пищевые отходы

Даже пищевые отходы, включая виноградную и апельсиновую кожуру, были превращены в экологичные филаменты с помощью процессов ферментации и компаундирования. По своим свойствам они напоминают обычные пластики для 3D-печати.

Переработанные материалы для SLA/DLP и SLS/SLM печати

Металлическая пудра

Металлические порошки для селективное лазерное спекание (SLS) и плавления (SLM) можно использовать переработанные материалы для 3D-печати, такие как нержавеющая сталь, инструментальная сталь и алюминий, полученные из отходов механической обработки. Свойства таких материалов соответствуют свойствам необработанных металлов.

Полимеры

Фотополимеры, повторно используемые для стереолитография (SLA) и цифровой обработки света (DLP) 3D-печать происходит из материалов для прототипирования, которые больше не нужны. Характеристики остаются эквивалентными чернилам из первичной смолы, хотя возможность вторичной переработки требует оценки.

Композитные порошки

Порошки, сочетающие в себе переработанные металлы и керамику, демонстрируют потенциал в SLS для изготовления функциональных деталей. Гибридные материалы обеспечивают необходимую прочность наряду с преимуществами экологичности.

Свойства деталей, напечатанных с помощью нитей и порошков, о которых говорилось выше, в целом повторяют свойства исходных материалов. Такие механические качества, как прочность на разрыв, также сохраняются в процессе аддитивного производства с использованием вторичного сырья для 3D-печати. Это подтверждает их пригодность для функционального применения.

В целом, устойчивое аддитивное производство с использованием отходов, полученных после переработки потребительских, промышленных или сельскохозяйственных отходов, значительно снижает воздействие на окружающую среду по сравнению с обычным производством. Продолжаются исследования в области новых переработанных материалов, высококачественная 3D-печать может стать более экологичной технологией.

Переработка 3D-отпечатков по замкнутому циклу

Когда 3D-печать используется для быстрого создания прототипов и производства, многие неудачные или нефункциональные отпечатки обычно выбрасываются в мусорный бак, известный как мусорный контейнер, из-за многочисленных проблем, возникающих при механическом измельчении и повторном использовании... Это создает проблемы с экологичностью из-за использования энергоемких первичных материалов. Переработка по замкнутому циклу предлагает эффективное решение путем восстановления различных переработанных материалов для 3D-печати.

Проблемы с утилизацией неудачных отпечатков

Неудачные FDM-отпечатки могут содержать инфильтрованные опоры, которые мешают механической переработке. Аналогично, смолы SLA, отвержденные на неудачных деталях, не могут подвергаться прямой механической переработке из-за перекрестных связей во время отверждения. Материалы на основе порошка также требуют специальной обработки из-за таких свойств, как окисляемость.

Подходы к переработке химических веществ

Новые технологии химической переработки могут разрушать полимеры, смолы и порошковые отпечатки на молекулярном уровне. Например, неудачные детали ABS, измельченные в порошок, подвергаются деполимеризации с помощью химических растворителей, чтобы получить чистые мономеры ABS. Затем эти мономеры могут быть реполимеризованы для прямого повторного использования в качестве нитей без потери качества.

Смолы от SLA/DLP-принтеров перерабатываются 3D-печатью с помощью аналогичных методов деполимеризации или сольволиза, в результате чего получаются чистые фотополимеры для повторного использования. Металлические и керамические детали, вышедшие из строя в результате SLS/SLM, могут быть подвергнуты кислотному выщелачиванию или осаждению для разделения сплавов с целью их повторной атомизации.

Повторное использование порошков в SLS/SLM

Постобработка представляет собой альтернативу химической переработке для систем на основе порошка. Излишки неиспользованного порошка из машин SLS/SLM просто собираются, просеиваются для удаления примесей и используются повторно без существенного влияния на свойства и производительность печати. Это позволяет сохранить более 95% материальных затрат.

Замкнутый цикл переработки создает круговую экономику для Крупномасштабная 3D-печать материалов, устраняя отходы и зависимость от первичных ресурсов. При дальнейших усовершенствованиях этот процесс можно масштабировать для промышленных и коммерческих пользователей, чтобы реализовать полностью экологичное аддитивное производство. В сочетании с экологичными исходными нитями и порошками этот процесс утверждает 3D-печать в качестве парадигмы экологичного производства.

Местное производство переработанного сырья

Чтобы цепочка поставок была по-настоящему устойчивой, переработанные материалы для 3D-печати должны быть получены как можно более локально, чтобы минимизировать транспортные выбросы. Децентрализованные модели переработки решают эту проблему.

Небольшие общественные предприятия по переработке могут собирать послепромышленный пластиковый лом и бытовые отходы, оставшиеся после потребления, на местах. После базовой сортировки и очистки эти пластмассы превращаются в филаменты для 3D-принтеров с помощью небольших экструзионных линий.

Затем готовые нити распределяются по близлежащим школам, библиотекам или предприятиям. 3D-принтеры. Например, инициатива по переработке отходов в сельской местности может собирать диски от сельскохозяйственного оборудования и бытовые бутылки в радиусе 50 миль для изготовления нитей PLA, используемых в местных мейкерских центрах.

Эта локализованная система замкнутого цикла позволяет отказаться от транспортировки пластика. Она также дает возможность сообществам создавать независимые круговые цепочки поставок с минимальной зависимостью от централизованных рынков первичного сырья.

Возобновляемые и биоразлагаемые материалы

Экологичная 3D-печать выходит за рамки переработанного пластика и включает в себя материалы на основе растений и биоразлагаемые материалы.

Смолы, произведенные из сельскохозяйственного сырья, такого как кукуруза и сахарный тростник, являются возобновляемой альтернативой SLA-смолам на нефтяной основе. Композиты, в которых используются сельскохозяйственные и лесные отходы, например, древесная мука или волокна конопли, еще больше повышают экологичность.

Биопластики и биорезины обеспечивают безопасную деградацию напечатанных деталей в конце срока службы без образования микропластика. В сочетании с местными мелкосерийные производственные циклыТакие возобновляемые материалы создают парадигму производства с нулевыми затратами.

Экологически чистые источники сырья и выпуск биоразлагаемых деталей - ключевой момент в позиционировании 3D-печати как экологичного метода производства будущего.

Заключение

Современные усовершенствования в области 3D-печати и используемых материалов сделали технологию аддитивного производства ведущей в современной обрабатывающей промышленности. Однако для того, чтобы 3D-производство было устойчивым, весь процесс, от используемого материала до конечного продукта, должен представлять собой круговую экономику.
Стратегии, обсуждаемые в этой статье, такие как использование вторичного сырья для 3D-печати и возобновляемых материалов, замкнутый цикл переработки материалов и локализованное мелкосерийное производство, помогают решить проблемы устойчивого развития во всей цепочке создания стоимости 3D-печати. Широкое распространение таких "зеленых" подходов может свести к минимуму зависимость от первичного пластика, тяжелого транспорта и невозобновляемой энергии.

В целом, переход к локализованным, основанным на отходах и возобновляемых ресурсах технологиям устанавливает вторичную 3D-печать в качестве парадигмы производства, которая не только доступна по цене и адаптирована к требованиям заказчика, но и экологична. Это поможет реализовать весь потенциал аддитивного производства в направлении устойчивого будущего.

Вопросы и ответы

В: Все ли технологии 3D-печати могут использовать переработанные материалы?

О: В то время как FDM и некоторые процессы с порошковым слоем могут использовать переработанные термопластики и металлические порошки для 3D-печати, другие технологии, такие как SLA, могут иметь проблемы с предварительно отвержденными смолами. Текущие исследования и разработки расширяют возможности совместимых процессов.

В: Действительно ли это более экологично, чем использование первичного пластика?

О: Да, повторное использование отработанного пластика значительно снижает воздействие на окружающую среду по сравнению с добычей нового пластика из ископаемого топлива с помощью энергоемких процессов. Даже с учетом некоторых недостатков в качестве, это более экологичная альтернатива.

В: Сколько обычно стоит нить по сравнению с первичными нитями?

О: Переработанные нити для 3D-печати обычно на 10-30% дешевле, чем аналогичные первичные нити, поскольку стоимость материалов ниже. Ожидается, что по мере дальнейшего расширения масштабов переработки цены будут снижаться еще больше.