再生 3D 打印：生态友好型生产的可持续解决方案

本文回顾了利用热塑性塑料和粉末的本地和闭环回收利用，使回收的三维打印材料更加环保的新方法。本文探讨了如何利用工业废弃物和消费后废弃物流，以及从农副产品到植物基材料原料等可再生资源。本文介绍了通过回收利用实现全生命周期材料采购的可持续方法。

在这篇文章中，作者介绍了如何转向更可持续的基本材料和技术，使三维打印成为可信的绿色技术。文章探讨了将可回收的 3D 打印和可再生材料用于 AM 的新机遇。在材料的采购、使用和最终使用完成方面，还重点介绍了可能的可持续做法。其目的是开发一套当前的闭环最佳实践，用于定义最有效的三维打印回收循环。

什么是再生 3D 打印材料？

再生三维打印又称再制造三维打印，是指在三维打印机的进料中使用消费后和工业后废弃物。它的功能是将可回收的热塑料和其他进料转化为长丝、粉末或颗粒，以备 3d 打印功能部件和产品之用。根据现代国家的估算，在所有使用过的材料中，约有 5-10% 与消费者层面有关。 三维打印 来自再生资源。

这些回收产品包括最常用的 3D 打印热塑性塑料的回收版本，如从废旧电子产品和塑料中提取的聚乳酸（PLA）、从废旧塑料和家用塑料中提取的 ABS 以及从废旧塑料包装材料中提取的 PETG。然后将这些材料清洗、粉碎并挤压成适合 3D 打印机使用的长丝。

再生三维打印的优势

减少废物和垃圾填埋量

通过避免将消费后塑料和其他废物倾倒在现有的极其稀缺的垃圾填埋场，再生 3D 打印在转移环境负担方面发挥了关键作用。更重要的是，它促进了材料的回收利用，否则这些材料将被倾倒在垃圾场。

减少对原始原材料的依赖

由于回收的 3D 打印细丝和材料来自工业和城市废物流，因此无需通过能源密集型采矿或钻探过程从环境中提取新的原材料。

节约能源

与提取原始材料、加工和运输相比，将回收材料分解成 3D 打印机原料所需的能源更少。这样的结果最终会在制造过程和开发产品的生命周期中消耗大量能源。

用于 3D 打印的常见回收材料

塑料，如 PLA、ABS、PETG

它们在消费后塑料废弃物中占很大比例。因此，它们的机械和热性能使其适用于熔融长丝制造（FFF）类型的三维打印工艺。

混凝土、木材等建筑材料

废弃的混凝土和锯屑可进行再加工，并与粘合剂结合，生产出再生混凝土和木丝，用于 3D 打印大型结构件。

金属、植物纤维

甚至 三维金属打印 现在，从制造业废料中提取的粉末和从农业废弃物中提取的植物纤维已被转化为可回收的 3D 打印材料。

未来的范围和挑战

尽管再生三维打印逐渐被更多人接受，但仍有可能提高使用前景和环境影响。对每种消费后塑料采用不同的流，可提高 3D 打印部件中可回收成分的比例。万维网也大有可为，因为制定可回收性测试和认证的标准政策也能提高消费者对该技术的接受度。然而，再生丝的质量和机械性能仍然存在一些问题，如总体质量的一致性。

用于 FDM 印刷的环保型灯丝

非晶工业通常指的是熔融沉积模型 (分时多工)类型的 3D 打印机使用塑料丝材料。与传统的含油塑料相比，有几种长丝可提供更好的解决方案。

PLA

它是一种聚乳酸PLA)长丝是生物基材料，这意味着它源自植物，如玉米淀粉、木薯根或甘蔗。根据欧盟各国的标准，100% 可回收利用；它们可以完全分解和堆肥。同时，聚乳酸材料制成的部件强度高，但不耐热。

PETG

PET 乙二醇或 PETG 长丝是直接从消费后的预加工产品中提取的。 PET 容器和瓶子。与 ABS 相比，它的印刷品更坚硬、更有光泽，但完全不排放任何有毒气体。 PETG 几年来依然保持强劲。

PC-ABS

PC-ABS 是聚碳酸酯和聚碳酸酯的共聚物。 ABS 这种材料具有可接受的冲击强度和刚度，并能承受较大的负荷。纤丝可维持高达 30% 的再生 3D 打印，其原材料性能可与原生 PC-ABS 相媲美。

尼龙

尼龙丝，如 尼龙-6 它们可以用菜籽油或蓖麻籽制成，从而减少了对化石油基尼龙的依赖。它们能打印出有弹性、坚韧的图案，适用于功能原型设计和制造。

竹、木、纸

这些植物长丝利用竹粉、锯末或纸粒等农副产品与生物塑料粘合在一起。打印出的部件具有天然的木质或纸质纹理。

食物浪费

甚至包括葡萄皮和橘子皮在内的食物垃圾也已通过发酵和复合工艺转化为可持续长丝。其特性类似于常见的 3D 打印塑料。

用于 SLA/DLP 和 SLS/SLM 印刷的回收材料

金属粉末

金属粉末 选择性激光烧结 (SLS）和熔融（SLM）技术可将回收的三维打印材料（如不锈钢、工具钢和铝等）从加工废料中提取出来。其特性与原始金属力量相匹配。

聚合物

光聚合物可重复用于 立体照相 (SLA）和数字光处理（DLP）3D 打印的原型材料已不再需要。虽然需要对可回收性进行评估，但其性能仍与原始树脂墨水相当。

复合粉末

回收金属与陶瓷相结合的粉末在 SLS 功能部件中显示出潜力。混合材料在实现必要强度的同时，还具有可持续发展的优势。

使用上述长丝和粉末打印出来的部件的性能一般都与原始原材料相似。通过使用回收的三维打印原料进行增材制造，拉伸强度等机械性能也得以保留。这证明了它们在功能性应用方面的可行性。

与传统制造相比，利用消费后、工业后或农业废弃物进行的整体可持续增材制造可显著减少对环境的影响。目前正在对新型回收材料进行研究、 高质量 3D 打印 将成为一种更环保的技术。

三维打印的闭环再循环

根据需求，3D 打印可用于快速原型设计和制造，但由于机械粉碎和重复使用带来的诸多挑战，许多失败或无法正常使用的打印件通常会被扔进垃圾桶，也就是俗称的填埋场......由于使用能源密集型的原始材料，这带来了可持续发展问题。通过回收各种可循环利用的 3D 打印材料，闭环回收利用提供了一个有效的解决方案。

回收失败打印件的问题

失败的 FDM 印刷品可能含有渗入的支撑物，从而影响机械回收。同样，固化失败的 SLA 树脂由于在固化过程中会发生交联，也不能直接进行机械回收。粉末基材料由于其氧化性等特性，也需要特殊处理。

化学再循环方法

新的化学回收技术可以在分子水平上分解聚合物、树脂和粉末印刷品。例如，使用化学溶剂对研磨成粉末的失效 ABS 部件进行解聚，以回收纯 ABS 单体。然后，这些单体可以重新聚合，作为长丝直接再利用，而不会造成质量损失。

来自 SLA/DLP 打印机的树脂可采用类似的解聚或溶解技术进行 3D 打印回收，生成清洁的光聚合物以供再利用。来自 SLS/SLM 的失效金属和陶瓷部件可利用酸浸出或沉淀法分离合金，以便重新组构。

在 SLS/SLM 中重复使用粉末

后处理为粉末系统提供了化学回收的替代方案。SLS/SLM 设备中未使用的多余粉末只需回收、筛分以去除杂质，然后重新使用，不会对性能或印刷效果产生重大影响。这样可节省超过 95% 的材料成本。

闭环回收为以下领域建立循环经济 大规模 3D 打印 通过消除浪费和对原始资源的依赖，该技术还可用于材料的制造。经过进一步改进，该工艺可扩展至工业和商业用户，实现完全可持续的增材制造。结合可持续输入丝和粉末，它将 3D 打印技术确立为一种绿色制造模式。

回收原料的本地采购

为了实现真正的可持续供应链，回收的 3D 打印材料应尽可能在当地采购，以最大限度地减少运输排放。分散回收模式可以解决这一问题。

以社区为基础的小型回收设施可以在当地收集工业废塑料和消费后家庭垃圾。经过基本分类和净化后，这些塑料可通过小型挤出生产线转化为 3D 打印机丝。

然后，成品长丝会被分发到附近的学校、图书馆或企业，并与 三维打印机.例如，农村回收计划可以在 50 英里范围内收集农用设备盘和家用瓶子，用于制造当地创客空间使用的聚乳酸长丝。

这种本地化的闭环系统消除了塑料运输的负荷。它还能帮助社区建立独立的循环供应链，最大限度地减少对中央原生材料市场的依赖。

可再生和生物降解材料

可持续三维打印不仅使用再生塑料，还采用了植物基和生物可降解材料。

用玉米和甘蔗等农业原料生产的树脂是石油基 SLA 树脂的可再生替代品。使用木粉或麻纤维等农林剩余物制成的复合材料进一步提高了可持续性。

生物塑料和生物树脂可确保打印部件在使用寿命结束时安全降解，而不会产生微塑料。与当地的 小规模生产循环这种可再生材料建立了一种净零制造模式。

原料的绿色采购和可生物降解部件的生产是将 3D 打印技术定位为未来环保生产方式的关键。

结论

目前，三维打印技术和所用材料的改进已使增材制造技术成为当前制造业的领先技术。然而，要实现三维生产的可持续发展，从所用材料到最终产品的整个过程都应体现循环经济。
本文所讨论的策略，如使用再生3D打印和可再生原料、闭环材料回收和本地化小规模生产，有助于解决整个3D打印价值链的可持续发展问题。广泛采用这些绿色方法可以最大限度地减少对原始塑料、重型运输和不可再生能源的依赖。

总之，向本地化、基于废物和可再生资源的转变，使循环三维打印成为一种不仅经济实惠、量身定制，而且生态友好的制造模式。这有助于充分发挥增材制造的潜力，实现可持续发展的未来。

常见问题

问：所有 3D 打印技术都能使用回收材料吗？

答：虽然 FDM 和一些粉末床工艺可以分别使用回收的 3D 打印热塑性塑料和金属粉末，但其他技术（如 SLA）在使用预固化树脂时可能会出现问题。目前的研发工作正在扩大兼容工艺的范围。

问：它真的比使用原生塑料更可持续吗？

答：是的，与通过能源密集型工艺从化石燃料中提取新塑料相比，重复使用废塑料可大大减少对环境的影响。即使在质量上有所折衷，这也是一种更环保的选择。

问：与原生长丝相比，它的成本通常是多少？

答：由于材料成本较低，回收的 3D 打印长丝通常比同类原生长丝便宜 10-30%。随着回收规模的进一步扩大，预计价格会进一步降低。