התפתחות הדפסה בת 3D

ייצור אדקטיבית, הידוע בדרך כלל כדפסת תלת מימד, שינה את הנוף של הייצור על ידי מתן פליטות על פי דרישה של גיאוגרפיות מורכבות כי שיטות תת-ממדיות מסורתיות לא יכול להשיג.מרכיבי חלל להשתלתים רפואיים מותאמים אישית, הגמישות של הטכנולוגיה אינה ניתנת להכחשה של חומרים אלה, אך טביעת הרגל הסביבתית של הדפסה 3D קונבנציונלית - הוא אמין מאוד על תרמופלסטיקה מבוססת נפט כגון: ABS ו-ידיעת ניילון - רק על ידי הסרת חומרים קריטיים; היא רק שינוי חומרים אלה היא רק שינוי פחמן.

הדחיפות של שינוי זה מדגישה על ידי יוזמות גלובליות כמו הסכם ירוק אירופאי ותוכנית ניהול חומרים בר קיימא בארה"ב, שניהם קוראים כלכלה מעגלית שבה חומרים שומרים על הערך שלהם ולעולם לא הופכים לבזבוז. בהקשר זה, הדפסה תלת מימדית מציעה הזדמנות ייחודית: כי התהליך הוא תוספת, זה מייצר באופן טבעי פחות מייצור תת-מחדש.אבל המשחק האמיתי הוא שקרים במזינים עצמם על ידי יצרני אספקת מחסנים יכול להיות מופחת לחלוטין או לשחזר חלקים של אספקת חומרים ממאגרים באופן מלא או מאנרגיה מתחדשת.

בסעיפים הבאים, אנו חוקרים את המדע שמאחורי החומרים האלה, את היתרונות המעשיים שלהם ואת המגבלות, יישומים נוכחיים על פני תעשיות, ואת הדרך קדימה לייצור תוספים בר קיימא באמת.

המדע שמאחורי הפולימרים המבוססים על הביולוגית וההתאוששות

כדי להבין מדוע חומרים המבוססים על הביולוגי הם צוברים מתח, זה עוזר לבחון לראשונה את הכימיה של פלסטיק קונבנציונלי.רוב הנפוצים 3D הדפסה סדקים - כגון ABS (קריילון, אך ורקדינה styrene) או פוליקרבונט - הם מסונתז מנפט, משאב סופי פחמן-רגיש.כאשר נשרף או אדמה מלא, חומרים אלה היווה נחות עבור מיליוני שנים, לתרום רמות פחמן דו-חמצני.

(FLT:0) פולימרים המבוססים על פולימרים, לעומת זאת, מיוצרים ממקורות ביולוגיים מתחדשים 1FreaLT - צמחים ראשיים, אצות, או תסיסה מיקרוביאלית.הפח בפולימרים אלה הוא חלק מחזור הפחמן המודרני; זה היה לאחרונה קבוע מהאווירה באמצעות פוטוסינתזה.

מפתח Bio מבוסס פולימרים ב 3D הדפסה

  • (FLT:0) olilactic Acid (PLA)BuildFLT:1 ; Derived מכוכב צמחי מותס (corn, casava, סוכרcane), PLA הוא היישומים הנפוצים ביותר המבוססים על ביולוגית כיום.It הוא קומפוסט בתנאים תעשייתיים פולט פחות תרכובות אורגניות תנודתיות (VOCs) במהלך הדפסה, עם זאת, טמפרטורה נמוכה יחסית (טמפרטורה גבוהה) בטמפרטורה גבוהה (טמפרטורה גבוהה של טמפרטורה) בטמפרטורה נמוכה יחסית (טמפרטורה גבוהה של טמפרטורה) בטמפרטורה נמוכה יחסית (טמפרטורה גבוהה (טמפרטורה גבוהה יותר) טמפרטורות נמוכה (טמפרטורה גבוהה יותר (טמפרטורה גבוהה יותר) טמפרטורות נמוכה יחסית (טמפרטורה גבוהה יותר) טמפרטורות נמוכה יחסית (טמפרטורה גבוהה יותר).
  • (FLT:0) פוליתקלקלקלקטנוטס (PHAOVA)FLT:1 - פוליסטרים אלה מיוצרים על ידי חיידקים המצטברים את הפולימרים כשמורת אנרגיה. PHAs הם ביו-מכובדים לחלוטין הן באדמה והן סביבות ימיות, מה שהופך אותם אידיאלי עבור פריטים בשימוש יחיד.
  • (FLT:0)Bio-based Polyamides (PA11)IRLT:1) - דרייב משמן קסטרטור, PA11 מציע כוח מכני מעולה והתנגדות כימית, המתחרה ניילון מבוסס נפט.הוא משמש יישומים תובעניים כגון קטיונים לרכב וטיפוס פונקציונלי.
  • (FLT:0)Bio-PETFLT:1 - בעוד PET המסורתית הוא מוצר שמן, "Bio-PET" מחליף חלק גליקול ethylene עם שווי ערך מבוסס ביולוגית.

חומרים ניתנים למחזור ו-Loop Systems

חומרים הניתנים למחזור – אלה שניתן לעבד מחדש ל filament חדשה ללא השפלה משמעותית – חשובים באותה מידה.FLT:0recycled PET (rPET) Recycleed PLT:1 הוא דוגמא ראשית.מקור מבקבוקים שלאחר-consumer, rPET ממוחזר, מנקה, מחוספסת ומותקת לתוך fment Itilas דומה להורדת פולית (FGatephirolen) ו-Firolen.

אפשרות נוספת מבטיחה למחזור היא FLT:0 (rPP) Acpropylene (rPP)igtureFLT:1 ; למרות פוליפרופילן הוא קשה לשמצה להדפיס בשל דפי מלחמה ושכבות עניות, ניסוחים מיוחדים עם תוספים הפכו אותו לזמין עבור יישומים תעשייתיים שבהם ההתנגדות הכימית היא בעלת חשיבות עליונה.

יתרונות של חומרים הדפסה של Eco-Friendly 3D

היתרונות של אימוץ פשיעות מבוססות ביולוגית ומחזוריות ממושכות הרבה מעבר לדיברות סביבתית. יצרנים שמתגמלים לחומרים אלה מגלים לעתים קרובות יתרונות תפעוליים ושוקיים.

  • (FLT:0) למד טביעת רגל פחמן: FLT:1 הערכות מחזור חיים מראות כי ייצור PLA פולט בערך 60–70% פחות גזי חממה מאשר ייצור ABS לקילוגרם, על פי נתונים של מחקר טבע FLT:2 מחקר על PLA לעומת מפלסטיק FLT 3:2FLT 3.
  • (FLT:0)Lower Toxicity:FLT:1, filaments המבוססים על ביו-בירוב פולטים פחות מטושטשים מזיקים במהלך הדפסה.זה חשוב במיוחד בהגדרות חינוכיות או בסביבות בית שבהן האוורור מוגבל.
  • חומרים כמו PHA ו- PLA יכולים לפרוץ במתקני הדבקה תעשייתיים, צמצום זיהום לטווח ארוך.
  • (FLT:0) ,Support for Circular Economy:FIRLT:1 , Recyclable filaments מאפשר מערכת סגורה-loop שבה חלקי פסולת ומבנים תמיכה הם שוב שטח ו-re-truded, מיניזציה חומר שנשלח לקרקע.
  • (FLT:0) Market Differentiation: חברות 1FLT שמשתמשות ב- eco-ידידותיות יכולות למותג את המוצרים שלהן כ-קיימא, תוך ערעור לצרכנים בעלי מודעות סביבתית ולעמוד במטרות קיימות של חברות.

ניתוח השוואתי: Bio- Based vs. מסורתי Filaments

בחירת החומר הנכון דורש איזון ביצועים, עלות והשפעה סביבתית.השולחן מתחת לסמס תכונות מפתח עבור סוגים נפוצים של פשציה (למרות שאנו מציגים אותו כאן בצורת טקסט עבור נגישות).

תכונות מכניות

  • [01:0] ⁇ : [=] ⁇ ] , [ה]], כוח רב-העוצמה [של 50 MPa], התנגדות נוקשה והשפעה נמוכה המתאימה לא-טיפוסים ולחלקים שאינם מתפקדים.
  • [01:0] PHA: ⁇ 1] כוח דומה ל- PLA אך גמיש יותר; התנגדות השפעה מעולה.
  • (FLT:0)PETG (כולל rPET): ההרחבה 1 (Digital Power) גבוהה (~55 MPa), התנגדות השפעה טובה, עמידות.דפסים עם דף מלחמה נמוך.
  • (FLT:0)PA11: ⁇ FLT:1) נוקשות יוצאת דופן והתנגדות לעייפות; לגשר על הפער בין PLA לבין מפלסטיקים הנדסיים כמו ABS.
  • (ב) ⁇ (בפס): ⁇ 1) כוח גבוה והתנגדות טמפרטורה אך פולט סטיות סטיקין, והוא נגזר מדלקים מאובנים.

שיקולים

חומרים המבוססים על ביולוגית לעתים קרובות להדפיס בטמפרטורות נמוכות (190-220 מעלות צלזיוס עבור PLA, 150-180 מעלות צלזיוס עבור PHA) בהשוואה ל- ABS (240-260 מעלות צלזיוס), הפחתת צריכת האנרגיה.עם זאת, כמה חומרים המבוססים על ביולוגית הם יותר Hygroscopic ודורשים ייבוש לפני השימוש. Recycle filaments עשוי להיות יותר שטף, הדורשים ציפוי הדפסה הדפסה.

יישומים בתעשיות

אימוץ של חומרי הדפסה תלת-ממדיים בת קיימא הוא מאיץ על פני מגזרים מגוונים. להלן דוגמאות בולטות שבו סדקים המבוססים על הביו ומחזוריים הופכים את ההבדל שניתן למדידה.

רכב

יצרני רכב משתמשים בפולימידאס (PA11) עבור רכיבים פנימיים, דוקטרים, ותחת-החלקים שבהם ההתנגדות החום מתונה.FLT:0.FLT:0;0) עבור רכיבים פנימיים, למשל, ניסויים עם חומרים המבוססים על PLA עבור אב-טיפוס ותיקוןים, צמצום משקל ובזבוז כולל.

בריאות ובריאות

התחום הרפואי דורש ביו-גמישות וסטריליות.FLT:0.PLA ו- PHA אושרו עבור יישומים רפואיים מסוימים FLT:1, כגון מדריכים כירורגיים, אסתטיקה אישית, ופסלים נטולי תרופות כי הביודה בגוף לאורך זמן.החומרים הנמוכים שלהם הופכים אותם לבטוחים יותר עבור מכשירים הקשורים במגעים סבלניים בהשוואה לחלופה מבוססת נפט, 2021, מחקר שפורסם ב-F2, הראה גידול פריך, אשר הוכחומים על ידי תאים מנבאים.

מוצרים ואריזות

תוספות אריזות מכס, תצוגות ומוצרים צרכניים (מקרים של טלפונים, משקפיים) עשויים לעתים קרובות מ- PLA או rPET. חברות כמו FLT:0adidassFLT:1 שילבו מפלסטיקים ממוחזרים לתוך מיילדות מודפס 3D עבור קו ה- Futurecraft שלהם, המוכיח כי קיימות אינה מתכוונת למילוי ביצועים.

אדריכלות ובניה

מדפסת תלת מימדית גדולה משתמשת כעת בתרכובות מבוססות-ביו -PLA התחזק עם קנבוס, במבוק או סיבי עץ - כדי ליצור יצירת צורה, רהיטים ותכונות אדריכליות.חומרים אלה להפחית את האנרגיה המוטבעת של רכיבי בנייה וניתן לסווג בסוף חיי הבניין.

חינוך ומחקר

בתי ספר ומעבדות לטובת PLA בשל בטיחות השימוש שלה וקלות השימוש.השינוי לשחיפים הניתנים למחזור מלמד גם תלמידים על עקרונות כלכלה מעגלית על ידי כך שהם ממחזרים לא הצליחו להדפיס חדש באמצעות מקהלי שולחן העבודה.

איכות הסביבה והערכה לחיים

קביעת היתרון הסביבתי האמיתי של פשלות מבוססות-ביו ומחזוריות דורשות הערכה מלאה של מחזור חיים (LCA) ממיצוי חומרי גלם ועד סוף-חיים.

ייצור חומרי גלם

עבור פולימרים המבוססים על ביולוגית, הבמה החקלאית מהווה חלק משמעותי של השפעות סביבתיות - שימוש בקרקע, צריכת מים, דשן עף.עם זאת, רבים של חומרי מזון (למשל, סוכרקני, casava) גדלים על אדמה שולית או כיבולים משניים.FLT:0U.S. EPA ניהול חומרים בר קיימא ניהול חומרים מ-EPA מדגיש את הבחירה של להאכיל תירס-דלוק (דלהלן:) יש פחות חומרים מסוכרים ייעודיים).

ייצור ו הדפסה אנרגיה

סדקים המבוססים על ביולוגית דורשים בדרך כלל פחות אנרגיה להתמוסס בגלל טמפרטורות הדפסה נמוכות יותר.לאורך החיים של מדפסת, זה יכול להפחית את צריכת החשמל ב 10-20% בהשוואה ל-Filaments עתירי זמן גבוהים.מממממחזר חומרים, עם זאת, ייתכן שיהיה צורך עיבוד נוסף (שטיפת, שחיקה, שחיקה מחדש) כי צורכת אנרגיה - אבל זה מתבטל על ידי הימנעות ייצור פולימרים.

סוף סוף החיים Scenarios

  • (ב) ⁇ :0) ⁇ תעשייתית: ⁇ 1 (PLA ו- PHA יכולים לפרוץ בתוך 90 ימים במתקני מסחר.
  • (FLT:0) מיחזור מכני: ראטאל:1 ; rPET ופוליפרופילן ממוחזר ניתן לעבד מחדש מספר פעמים, אם כי כל מחזור קטן מקטין משקל מולקולרי, הגבלת מספר מחזורי השברה.
  • (FLT:0) שחזור אנרגיה: 1FLT 1 Incineration of bio-based plastics משחרר את אותה כמות של CO2 אשר היה מפוענח, מה שהופך אותם פחמן-ניטראלי אם ההזנה מתחדשת.

A 2020 LCA שפורסם ב-FLT:0 מקורות, שימור ומחזור 1LT מצא כי החלפת PLA עבור ABS ב 3D הדפסה הפחיתה את פוטנציאל ההתחממות הגלובלית ב -40-50% בכל קטגוריות ההשפעה, בהנחה ניהול פסולת מתאים.

אתגרים: אימוץ נרחב

למרות ההבטחה, כמה מחסומים נותרו לפני חומרים המבוססים על הביו ומחזוריים הופכים לבחירה ברירת המחדל בדפוס תלת-ממדי.

  • (FLT:0) Cost Premium:FLT:1 , סדקים המבוססים על ביו יכול לעלות 2-5 פעמים יותר מ-0.5 ABS או PLA. חומרים מיוחדים כמו PHA הם אפילו pricier, הגבלת השימוש שלהם ליישומים נישה.
  • (FLT:0) מגבלות אוויריות: FLT:103) מפלסטיקים המבוססים על ביולוגית רבים יש התנגדות נמוכה יותר של חום, יציבות UV ירודה יותר, או כוח השפעה נמוך יותר מאשר פולימרים הנדסיים.
  • (ב) בעיות הדפסה:0 (FLT:1) , filaments ממוחזרים לעתים קרובות יש זרימה בלתי עקבית בשל contaminants או הפצה מולקולרית במשקל, המוביל למחרוזת, קרישים, או שכבתיים גרועה.
  • (FLT:0) Recycling Infrastructure:FLT:1hil, בעוד מחזור PLA הוא אפשרי מבחינה טכנית, כמה מתקנים עירוניים לקבל את זה כי זה משמיד את זרם מחזור PET.
  • (FLT:0)Composting Confusion:FLT:1 צרכנים מבלבלים לעתים קרובות "בלתי אפשרי" עם "מחייב", המוביל להגדרה לא נכונה.

מגמות וחדשנות עתידיים

הדור הבא של סדקים בר קיימא יתמודד עם האתגרים האלה באמצעות פריצות דרך מדע חומרים וחידושים תהליכים.

המונחים: bio-composites

החוקרים מטביעים סיבים טבעיים (flax, Jute, hemp) לתוך מזחלות ביו-פוחיות כדי לשפר את הכוח ולהקטין את העלות. אלה מורכבים יכולים לצרף ניילון מלא זכוכית בנוקשות תוך היותו בעל יכולת ביולוגית מלאה.

חומרים עצמיים ו-עצמים

פולימרים חדשים המכילים אג"ח הפיכה (למשל, דילס אלדר כימיה) יכולים לרפא סדקים כאשר מחומם, להאריך את תוחלת החיים של חלק ולהפחתת הפסולת.אלה עדיין ניסיוניים אך מחזיקים בהבטחה ליישומים ארוכי טווח.

אספקת כימיקלים של פסולת מעורבת

במקום מחזור מכני, מחזור כימי (הפצה למונומרים) יכול לשבור פסולת פלסטיק מעורבת או מזוהמת לתוך חומרי מזון טהורים.חברות כמו FLT:0biosFLT:1 פיתחו מחזור אנזומטי שיכול לעבד חומרים צבעוניים ורב-שכבות, אשר יכול להיות מותאם עבור 3D-print.

שימוש ישיר בביומסה ללא פולימריזציה

אזור מתפתח הוא החדירה הישירה של מאפים ביומסה (למשל, אצות מבוסס, פטריות Mycelium) לחלקים 3D כי הם יבשים או מחוספסים.חומרים אלה הם לחלוטין קומפוסט ופסחים של סינתזה פולימרנית רגישה באנרגיה.

כיצד עסקים יכולים לעבור

עבור חברות מחפשות לשלב חומרים בר קיימא, הדרך מתחילה עם יישומים קטנים בסיכון נמוך:

  1. (FLT:0) הדפסים קיימים:FLT:1) לזהות חלקים שיכולים לסבול טמפרטורה נמוכה או לחץ מכני - אלה מועמדים עבור PLA או תערובת מבוסס ביולוגית.
  2. (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  3. (ב) בייבוש ציוד: FLT:0) כדי להימנע מכישלונות הקשורים ללחות, להשתמש מייבשי שיער ומחסן אטום.
  4. (ב) ,0 חלקנר עם שירותי מחזור: ⁇ 1 (למשל, FLT:2FilabotveFLT 3 ו-FLT:4Reflow FilamentFLT:5) מציעים תוכניות גיבוי עבור הדפסים משומשים כדי להיות ממוחזר לתוך חדש filament.
  5. צוותים:0 (FLT) :0) ,4 ( 1) מספקים הכשרה על בחירת חומרים, פרופילי מדפסת והפרדה נאותה של פסולת כדי למקסם את היתרונות הסביבתיים.

מסקנה

השילוב של חומרים המבוססים על הביולוגית והמחזוריים להדפסה תלת-ממדית אינו חזון רחוק – זה קורה כעת בתעשיות מרכב לבריאות.בעוד אתגרים נשארים בעלות, ביצועים ותשתיות, המומנטום מאחורי ייצור תוספים בר קיימא ממשיך לגדול, מונע על ידי חדשנות טכנולוגית, לחץ רגולטורי, וביקוש צרכני.על ידי בחירת חומרים שסגורים את הלולאה - או חוזרים לביוספירה או על ידי כניסה מתמדת של מחזור ייצור של מחזור חיים - לא יכול להפוך את התקני ייצור מעגלי של חומר מתחדש של חומר מתחדש של חומר מתחדשה ל-3D.