Изучение использования био- и перерабатываемых материалов в 3d-печати для экологически чистого производства

Актуальность этого сдвига подчеркивается глобальными инициативами, такими как Европейская зеленая сделка и программа США по устойчивому управлению материалами, которые призывают к круговой экономике, где материалы сохраняют свою ценность и никогда не становятся отходами. В этом контексте 3D-печать предлагает уникальную возможность: поскольку процесс аддитивный, он по своей сути производит меньше лома, чем субтрактивное производство. Но реальный игровой механизм заключается в самих исходных материалах. Проектируя нити, которые либо получены из возобновляемой биомассы, либо могут быть полностью переработаны обратно в цепочку поставок, производители могут резко уменьшить влияние печатных деталей.

В следующих разделах мы исследуем науку, стоящую за этими материалами, их практические преимущества и ограничения, текущие применения в различных отраслях промышленности и путь вперед для действительно устойчивого аддитивного производства. [+]

Наука, стоящая за био- и перерабатываемыми полимерами

Чтобы понять, почему биоматериалы набирают силу, это помогает сначала изучить химию обычных пластмасс. Наиболее распространенные нити 3D-печати, такие как АБС (акрилонитрилбутадиенстирол) или поликарбонат, синтезируются из нефти, конечного и углеродоемкого ресурса. При сжигании или захоронении на свалках эти материалы выделяют углерод, который был секвестрирован в течение миллионов лет, способствуя атмосферным уровням CO2.

Биополимеры, напротив, производятся из возобновляемых биологических источников — в основном растений, водорослей или микробной ферментации. Углерод в этих полимерах является частью современного углеродного цикла; он недавно был зафиксирован из атмосферы посредством фотосинтеза. Поэтому, даже если материал сжигается в конце жизни, чистый выброс CO2 теоретически нейтрален, при условии, что биомасса устойчиво растет.

Ключевые биополимеры в 3D-печати

• Полилактическая кислота (PLA) — Полученная из ферментированного крахмала растений (кукуруза, маниока, сахарный тростник), PLA является наиболее широко используемой сегодня нитью на основе биоматериалов. Она компостируется в промышленных условиях и выделяет меньше летучих органических соединений (ЛОС) во время печати, чем ABS. Однако ее относительно низкая температура стеклования (~60 °C) ограничивает ее использование в высокотемпературных приложениях.
• Полигидроксиалканоаты (PHA) — Эти полиэфиры производятся бактериями, которые накапливают полимер в качестве энергетического резерва. PHA полностью биоразлагаются как в почвенной, так и в морской среде, что делает их идеальными для одноразовых изделий. Последние достижения привели к получению смесей PHA с улучшенным потоком расплава, что делает их пригодными для печати на стандартных FDM-принтерах.
• Био-полимиды (PA11) — Полученные из касторового масла, PA11 предлагает отличную механическую прочность и химическую стойкость, конкурируя с нейлоном на основе нефти. Он используется в требовательных приложениях, таких как автомобильные протоки и функциональные прототипы.
• Био-ПЭТ — В то время как традиционный ПЭТ является нефтепродуктом, «био-ПЭТ» заменяет часть этиленгликоля био-эквивалентами. Полученный материал ведет себя идентично обычному ПЭТ и широко подлежит вторичной переработке.

Утилизированные материалы и замкнутые системы

Перерабатывающиеся материалы — те, которые могут быть переработаны в новую нить без значительной деградации — одинаково важны. Переработанный ПЭТ (rPET) является ярким примером.Исходя из постпотребительских бутылок, рПЭТ сортируется, очищается, измельчается и экструдируется в нить. Он печатает аналогично первичному ПЭТГ (полиэтилентерефталат гликоль) и сам может быть повторно переработан, уменьшая потребность в производстве первичного полимера.

Другим перспективным вариантом вторичной переработки является переработанный полипропилен (rPP) . Хотя полипропилен, как известно, трудно печатать из-за деформации и плохой адгезии слоя, специализированные составы с добавками сделали его жизнеспособным для промышленных применений, где химическая устойчивость имеет первостепенное значение. Ключевая проблема с переработанными материалами заключается в обеспечении стабильного качества: примеси, снижение молекулярной массы и цветовые вариации должны жестко контролироваться.

Преимущества экологически чистой 3D-печати

Преимущества использования био- и перерабатываемых нитей выходят далеко за рамки экологического управления. Производители, которые переходят на эти материалы, часто обнаруживают эксплуатационные и рыночные преимущества.

• Сокращение выбросов углерода: Оценки жизненного цикла показывают, что производство НОАК выделяет примерно на 60-70% меньше парниковых газов, чем производство АБС на килограмм, согласно данным исследования Nature Research по НОАК против нефтяных пластмасс .
• Низкая токсичность: Био-нитевые нити обычно выделяют меньше вредных паров во время печати. Это особенно ценно в образовательных учреждениях или домашних условиях, где вентиляция ограничена.
• Улучшенная биоразлагаемость: Такие материалы, как PHA и PLA, могут разрушаться на промышленных предприятиях по компостированию, что снижает долгосрочное загрязнение. Даже если они не компостируются, они разрушаются быстрее, чем обычные пластмассы в условиях полигона.
• Поддержка круговой экономики: Перерабатывающиеся нити позволяют замкнутую систему, в которой отходы и опорные конструкции перезаземлены и повторно экструдированы, сводя к минимуму материал, отправляемый на свалку.
• Дифференциация рынка: Компании, использующие экологически чистые нити, могут маркировать свою продукцию как устойчивую, привлекательную для экологически сознательных потребителей и отвечающую целям корпоративной устойчивости.

Сравнительный анализ: Био-базированные против традиционных филаментов

Выбор правильного материала требует балансировки производительности, стоимости и воздействия на окружающую среду. В таблице ниже приведены ключевые свойства для распространенных типов нитей (хотя мы представляем их здесь в текстовой форме для доступности).

Механические свойства

• PLA: Умеренная прочность на растяжение (~50 МПа), жесткость, низкое ударопрочность. Подходит для прототипов и нефункциональных деталей.
• PHA: Аналогичная прочность с PLA, но более гибкая; отличная ударопрочность. Быстро ухудшается в морской среде.
• ПЭТГ (включая rPET): Высокая прочность (~55 МПа), хорошая ударопрочность, долговечность. Печати с низкой деформацией.
• PA11: Исключительная прочность и усталостная стойкость; мосты между PLA и инженерными пластмассами, такими как ABS.
• ABS (нефть): Высокая прочность и термостойкость, но выделяет пары стирола и получена из ископаемого топлива.

Соображения в связи с обработкой

Биоматериалы часто печатают при более низких температурах (190-220 ° C для PLA, 150-180° C для PHA) по сравнению с ABS (240-260 ° C), снижая потребление энергии. Однако некоторые материалы на био-основе более гигроскопичны и требуют сушки перед использованием. Переработанные нити могут иметь более высокую вариацию потока расплава, требуя настройки профиля печати.

Приложения в разных отраслях

Внедрение устойчивых материалов для 3D-печати ускоряется в различных секторах. Ниже приведены примечательные примеры, когда био- и перерабатываемые нити имеют измеримое значение.

автомобильный

Автопроизводители используют полиамиды на биооснове (PA11) для внутренних компонентов, воздуховодов и деталей под капотом, где теплостойкость умеренная. Ford , например, экспериментировал с материалами на основе PLA для прототипов джигов и светильников, уменьшая общий вес деталей и отходов.

Медицинское и медицинское обслуживание

Медицинская область требует биосовместимости и стерильности. PLA и PHA одобрены для определенных медицинских применений , таких как хирургические руководства, пользовательские протезы и строительные леса для доставки лекарств, которые со временем биоразлагаются в организме. Их низкая токсичность делает их более безопасными для устройств контакта с пациентом по сравнению с альтернативами на основе нефти. Исследование 2021 года, опубликованное в Аддитивное производство , показало, что костные каркасы на основе PHA поддерживали рост клеток и были рассасывались с предсказуемой скоростью.

Потребительские товары и упаковка

Индивидуальные вставки для упаковки, стенды и потребительские товары (телефонные чехлы, очки) часто изготавливаются из PLA или rPET. Такие компании, как Adidas , включили переработанные океанические пластмассы в 3D-печатные полуфабрикаты для своей линии Futurecraft, демонстрируя, что устойчивость не означает жертву производительности.

Архитектура и строительство

Большие 3D-принтеры теперь используют биокомпозиты - PLA, усиленные коноплей, бамбуком или древесными волокнами, - для создания опалубки, мебели и архитектурных особенностей. Эти материалы уменьшают воплощенную энергию строительных компонентов и могут быть компостированы в конце жизни здания.

Образование и исследования

Школы и лаборатории отдают предпочтение НОАК из-за его безопасности и простоты использования. Переход на перерабатываемые нити также учит студентов принципам круговой экономики, заставляя их перерабатывать неудавшиеся отпечатки в новую нить с использованием настольных экструдеров.

Оценка воздействия на окружающую среду и жизненный цикл

Для количественной оценки истинной экологической пользы нитей на основе био- и перерабатываемых материалов требуется полная оценка жизненного цикла (LCA) от добычи сырья до утилизации в конце срока службы.

Производство сырья

Для полимеров на биооснове сельскохозяйственная стадия составляет значительную часть воздействия на окружающую среду — использование земель, потребление воды, стоки удобрений. Однако многие виды сырья (например, сахарный тростник, маниока) выращиваются на маргинальных землях или в качестве вторичных культур. Программа устойчивого управления материалами EPA США подчеркивает, что выбор исходного сырья имеет значение: исходное сырье на основе отходов (например, кукурузный погреб) имеет более низкий след, чем специализированные культуры.

Производство и печать энергии

Био-нитей, как правило, требуется меньше энергии для плавления из-за более низких температур печати. В течение срока службы принтера, это может снизить потребление электроэнергии на 10-20% по сравнению с высокотемпературных нитей. переработанные материалы, однако, может потребоваться дополнительная обработка (стирка, шлифование, репеллетирование), которая потребляет энергию, но это компенсируется, избегая девственного производства полимера.

Сценарии конца жизни

• Промышленная компостировка: PLA и PHA могут разрушаться в течение 90 дней на коммерческих объектах, однако они плохо деградируют в домашних компостных сваях или на свалках из-за отсутствия тепла и микробов.
• Механическая переработка: рПЭТ и переработанный полипропилен могут быть переработаны несколько раз, хотя каждый цикл немного снижает молекулярную массу, ограничивая количество циклов повторного использования.
• Восстановление энергии: Сжигание пластмасс на основе биоматериалов выделяет такое же количество CO2, которое было секвестрировано, что делает их углеродно-нейтральными, если сырье является возобновляемым.

Будущие тенденции и инновации

Следующее поколение устойчивых нитей будет решать эти проблемы с помощью прорывов в области материаловедения и технологических инноваций.

Продвинутые биокомпозиты

Исследователи встраивают натуральные волокна (флакс, джут, конопля) в биополимерные матрицы для повышения прочности и снижения стоимости. Эти композиты могут конкурировать с заполненным стеклом нейлоном в жесткости, будучи полностью биоразлагаемыми. Стартапы, такие как 3D4Makers , уже предлагают смеси PLA / дерево и PLA / бамбук.

Самоусиливающиеся и самоисцеляющие материалы

Новые полимеры, которые содержат обратимые связи (например, химия Дильса-Ольдера), могут заживлять трещины при нагревании, продлевая часть срока службы и уменьшая отходы. Они все еще экспериментальны, но перспективны для длительного использования.

Химическая переработка смешанных отходов

Вместо механической переработки химическая переработка (деполимеризация до мономеров) может расщеплять смешанные или загрязненные пластиковые отходы на чистое сырье. Такие компании, как Carbios разработали ферментативную переработку, которая может обрабатывать цветные и многослойные материалы, которые могут быть адаптированы для 3D-печати лома.

Прямое использование биомассы без полимеризации

Возникающая область - это прямая экструзия паст из биомассы (например, грибковый мицелий на основе водорослей) в 3D-части, которые затем сушат или отверждают. Эти материалы полностью компостируемы и обходят энергоемкий синтез полимеров.

Как бизнес может перейти

Для компаний, которые хотят использовать экологически чистые материалы, путь начинается с небольших приложений с низким уровнем риска:

1. Аудит существующих отпечатков: Определите детали, которые могут выдерживать более низкую температуру или механическое напряжение — это кандидаты на смеси на основе НОАК или био.
2. Тест rPET для упаковки и прототипирования: rPET широко доступен и надежно печатается на большинстве машин.
3. Инвестируйте в сушильное оборудование: Чтобы избежать сбоев, связанных с влагой, используйте сушилки накала и герметичное хранение.
4. Партнер по услугам по переработке: Несколько компаний (например, Filabot и Reflow Filament) предлагают программы возврата использованных отпечатков для переработки в новую нить.
5. Обучайте команды: Обеспечить обучение по выбору материалов, профилям принтеров и надлежащей сегрегации отходов для максимизации экологических преимуществ.

Заключение

Интеграция био- и перерабатываемых материалов в 3D-печать не является далеким видением - это происходит сейчас в разных отраслях от автомобильной промышленности до здравоохранения. В то время как проблемы остаются в стоимости, производительности и инфраструктуре, импульс устойчивого аддитивного производства продолжает расти, что обусловлено технологическими инновациями, нормативным давлением и потребительским спросом. Выбирая материалы, которые замыкают цикл - либо путем возвращения углерода в биосферу, либо путем ввода постоянного потока рециркуляции - производители могут превратить 3D-печать из инструмента удобства в столп кругового производства. Будущее производства - это не только добавка; это регенеративное.