Környezetbarát 3d nyomtatás

Akár a gyártás vagy az ipari tervezés, akár a repülőgépipar vagy az egészségügy területén tevékenykedik, a 3D nyomtatás hozzáadása vállalkozásához a helyes irányba tett lépés lehet a környezeti érzékenység és a fenntartható gyakorlatok tekintetében, például a szénlábnyom csökkentése, a kevesebb hulladék keletkezése, valamint a kevesebb energia és nyersanyag felhasználása terén.

A 3D nyomtatás (vagy additív gyártás) egyik előnye a fenntarthatóság tekintetében az, hogy mindenféle alkatrész - legyen szó modellekről, prototípusokról, szerszámokról, formákról vagy végtermékekről - anyag hozzáadásával készül, ahelyett, hogy kivonná azt és hulladékot termelne. Például egy motoralkatrész prototípusának 3D nyomtatásához sokkal kevesebb anyagra van szükség, mint egy fémtömbből való megmunkáláshoz. Egy funkcionális ajtópánt műanyag prototípusa szintén 3D nyomtatással, egyetlen alkatrészként is elkészíthető, ahelyett, hogy három különálló öntőformából fröccsöntötték volna, majd összeszerelték volna.

Mit mond a kutatás

Rengeteg anekdotikus információ szól arról, hogy a vállalatok időt, pénzt és anyagokat takarítottak meg azzal, hogy habfaragás, fémmegmunkálás, műanyagformázás vagy agyagformázás helyett a 3D nyomtatást használták. De kevés a tudományos kutatás. Ez késztette az additív gyártás fenntarthatóságával foglalkozó, nemrég alakult szakmai szervezetet, az Additive Manufacturing Green Trade Associationt, hogy két tanulmányt készíttessen a kérdés megvilágítására. Az első, amely most, 2020 novemberében jelent meg, a fenntarthatósággal és a fém additív gyártással kapcsolatos eddigi kutatások áttekintése, amelynek célja, hogy új következtetéseket vonjon le, és meghatározza, hogy hová kell összpontosítani a további kutatásokat.

A második (2022 tavaszán megjelenő) tanulmány két azonos, nagyméretű, a repülőgépiparban használt fémalkatrész gyártásának és életciklusának környezeti hatásait hasonlítja össze, az egyiket hagyományos kovácsolással vagy öntéssel, a másikat additív gyártással. A legfrissebb AMGTA-kutatás arra a következtetésre jutott, hogy "az AM általában sokkal nagyobb szén-dioxid-kibocsátással jár a feldolgozott anyag kilogrammjára vetítve, mint a CM (hagyományos gyártás), ha magát a közvetlen gyártási folyamatot vesszük figyelembe".

Az additív gyártás fenntarthatósága azonban nem a gyártási fázissal kezdődik és ér véget. A 3D nyomtatás mint fenntartható gyakorlat az alkatrész teljes életciklusára kiterjed - a kezdeti tervezéstől az újrahasznosításig. Ássunk egy kicsit mélyebbre.

A 3D nyomtatás körforgásos gazdasági potenciálja

Ahhoz, hogy minden vállalat fenntarthatóbbá és környezetbarátabbá váljon - amiben a kormányoktól a kereskedelmi csoportokon át a fogyasztókig mindenki egyetért -, több erőfeszítésre van szükség a hulladék, a szennyezés, valamint az energia- és nyersanyag-túlfogyasztás problémáinak megoldására. Még a kisvállalkozásoknak is szerepük van az újrahasznosításban, a fenntarthatóságot szem előtt tartó beszerzési döntések meghozatalában, az ellátási láncok lerövidítésében és a zöldebb irodai gyakorlatokra való áttérésben, például az energiafelhasználás csökkentésében.

Az üzleti életben (csakúgy, mint a magánéletünkben) egyre nagyobb hangsúlyt kap, hogy túllépjünk a jelenlegi "vegyük-gyártjuk-hulladékot" szokásainkon, és az újrafelhasználásra, javításra, felújításra, újragyártásra és újrahasznosításra összpontosító gyakorlatok felé mozduljunk el. Ez minimalizálja a nyersanyagfelhasználást, és csökkenti a hulladékot, a szennyezést és a szén-dioxid-kibocsátást.

Az Európai Unió például azt a célt tűzte ki, hogy 2030-ra minden műanyag csomagolást újrahasznosíthatóvá tesz Európában. Mi köze van ennek a 3D nyomtatáshoz? Nos, a csomagolásban használt fogyasztói minőségű hőre lágyuló műanyagok alacsony költségű és fenntartható alapanyagként szolgálhatnak a 3D nyomtatáshoz, és egy nemrégiben készült tanulmány szerint nagy értékű kimenetet biztosítanak a műanyaghulladékok számára. A helyi műanyaghulladék nyersanyagként való felhasználása az additív gyártás egyik lehetséges fő előnye.

A körforgásos gazdaságban, ahol minden, ami készül, újrahasznosítható, minden 3D nyomtatást végző vállalat újrahasznosított anyagot használhatna nyersanyagként, majd a nyomtatott alkatrész elavulása után ezt az anyagot tovább hasznosíthatná vagy újrahasznosíthatná. Bár ezt a célt még nem értük el, a 3D nyomtatás ma már lehetővé teszi a vállalatok számára, hogy megtakarítsanak a nyersanyagokon, kevesebb hulladékot termeljenek, és egyéb jelentős környezetbarát előnyökkel járnak. Hét módot találtunk arra, hogy a 3D nyomtatás ma hogyan segíthet a vállalatoknak a zöldítésben.

7 mód, ahogy a 3D nyomtatás segít a környezetvédelemben

Az additív gyártás lehetővé teszi a vállalkozások számára a csökkentést, az újrafelhasználást, az újrafelhasználást és az újrahasznosítást. Nézzük meg közelebbről.

1. Hatékonyabb tervezés

A 3D nyomtatók olyan formájú és tulajdonságú alkatrészeket tudnak készíteni, amelyek más gyártási módszerekkel elérhetetlenek. Újratervezheti alkatrészét vagy termékét, hogy hatékonyabbá tegye és kevesebb anyagot használjon fel. A korábban több alkatrészből készült termékek most egyetlen alkatrészként nyomtathatók ki, ami csökkenti az anyag-, idő- és munkaigényt.

A 3D nyomtatást használó gyártók teljes mozgó szerelvényeket és bonyolult alkatrészeket, például üzemanyag-befecskendezőket nyomtathatnak egy darabból, ahelyett, hogy több alkatrészt kellene külön-külön kinyomtatni, majd összeszerelni, így kevesebb hulladéktermék és energia kerül felhasználásra.

A generatív tervezés és az additív gyártás segítségével a GM képes volt egy kicsi, de fontos alkatrész nyolc különböző komponensét - az üléstartó konzolt, amelyben a biztonsági övek rögzülnek - egyetlen 3D nyomtatott alkatrészbe összevonni (Forrás: Autodesk).

2. Kevesebb nyersanyag felhasználása

Ennek a hatékonyabb alkatrésztervezés-optimalizálásnak (az úgynevezett topológiaoptimalizálásnak) és az alkatrész-konszolidációnak a következménye, hogy a termékek - például az autók és a repülőgépek - kevesebb nyersanyagot használnak fel és könnyebbek, így üzemanyag-takarékosabbak és kevesebb üvegházhatású gázt bocsátanak ki.

Legyen szó fémekről vagy műanyagokról, a 3D nyomtatás pontosan oda helyezi az anyagot, ahol az alkatrész létrehozásához szükséges, ahelyett, hogy egy anyagtömbből faragnánk ki egy alkatrészt, vagy olvasztott anyagot öntenénk egy formába, és így selejtet termelnénk.

3. Javíthatóság és pótalkatrészek

A 3D nyomtatókkal gyorsan és olcsón készíthetők javítóalkatrészek egyedi vagy már nem gyártott berendezésekhez, így a régi gépek és járművek nem kerülnek a szemétdombra, és nem kell több nyersanyagot és energiát felhasználni az új gépek és ipari alkatrészek gyártásához. A mérnökök egy gombnyomással kinyomtathatnak olyan alkatrészt, amelyet évtizedek óta nem gyártottak.

Például a világ számos hadserege alkalmazza a 3D nyomtatást, hogy meghosszabbítsa a régebbi járművek élettartamát, és javító alkatrészeket nyomtasson a terepen. Nemrégiben az Airbus leányvállalata, a Satair 3D-nyomtatott egy olyan hitelesített, repülőképes repülőgép-pótalkatrészt, amelyet az eredeti beszállítótól már nem lehetett beszerezni, és hagyományos eszközökkel túl költséges lett volna legyártani.

Egyes fémadalékos gyártási technológiák (például a lézeres fémleválasztás) olyan esetekben is képesek az elhasználódott fémalkatrészek javítására, amikor a hegesztés vagy más hagyományos javítási módszerek nem alkalmasak. A lézeres fémleválasztás dollármilliókat takarított meg a nehéziparban és a repülőgépiparban azáltal, hogy lehetővé tette a vállalatok számára, hogy új alkatrészek gyártása helyett javítsák azokat.

4. Helyben gyártott alkatrészek

A 3D nyomtatók elférnek az irodájában, így helyben készíthet alkatrészeket, prototípusokat és termékeket, szemben a messziről történő szállítással. Az eredmény a tervek, hajók és teherautók által okozott kisebb környezeti terhelés. Például a világjárvány idején, amikor a globális gyári ellátási láncok megszakadtak, a 3D-nyomtatókkal rendelkező helyi vállalatok azonnal akcióba léptek, hogy arcmaszkokat, légzőkészülék-alkatrészeket és más egyéni védőfelszereléseket állítsanak elő az elsősegélynyújtók számára a saját közösségükben. Sok kórház képes volt saját felszerelését kinyomtatni, vagy helyi vállalatokkal szerződést kötni viszonylag kis méretű 3D nyomtatott minőségekre.

5. Készletezés megszüntetése

A 3D nyomtatókkal igény szerint nyomtathat vagy kis tételeket nyomtathat ahelyett, hogy tartalék- és túlkészlet alkatrészek raktárát tartaná, amelyek közül sokukra talán soha nem lesz szükség. Erre példa az a több tucat szemüvegmárka, amely a Materialise 3D nyomtatási szolgáltató céggel kötött partnerséget, hogy 3D nyomtatott szemüvegkollekciókat dobjanak piacra. Minden egyes szemüvegkeretet a viselőre szabhatnak és igény szerint gyárthatnak le, így megszűnnek a raktárkészletek.

"A készletpazarlás történelmileg óriási probléma volt a szemüvegiparban" - mondja Alireza Parandian, a Materialise viseleti szakértője. "Az álomforgatókönyv az, hogy képesek legyünk olyan új szemüvegtípusokat kínálni, többféle anyagból, amelyek a keresletnek megfelelő sebességgel és mennyiségben gyárthatók, miközben egyidejűleg csökkentjük a pazarlást és a bevételt veszélyeztető készletkockázatot."

6. A gyártás racionalizálása

A 3D nyomtatók kevesebb szerszámot, alkatrészt és folyamatot igényelnek, mint a hagyományos gyártás, így a munkaerő, a berendezések és az energia nagy része megszűnik. A 3D nyomtatás gyakran gyorsabb. Más gyártási típusokkal ellentétben az additív gyártás számítógépből alkatrészre történő módszer, ami azt jelenti, hogy nincs szerszámozás vagy öntőforma, és nagyon kevés munka van a digitális tervezés és a gyártás között (bár egyes módszerek utólagos feldolgozást igényelnek).

Hasonlítsa össze például a 3D nyomtatást az orvosi modellek készítéséhez használt műanyag öntéssel. Egy orvosi egyetem a 3D nyomtatójával gyakorlatilag bármilyen modellt kinyomtathatna különböző anyagokból és színekben. Ugyanezekhez a műanyag öntéssel készült modellekhez először minden egyes darabhoz külön formát kellene készíteni, majd egy gép egyetlen műanyagot megolvasztana és a formába öntené - ezt a folyamatot egy gyárban kellene elvégezni. A 3D nyomtatással az egyetem bármilyen típusú orvosi modellt, akár páciensspecifikus modelleket is készíthetne, egyetlen, egy irodában elférő gép segítségével.

7. Kisebb, csendesebb gyárak

Egy 3D nyomtató több hagyományos gyártóberendezést is helyettesíthet, mivel sokféle alkatrészt képes kinyomtatni a legkülönbözőbb anyagokból. A kevesebb berendezés kisebb gyárat és kevesebb károsanyag-kibocsátást eredményez. A 3D-nyomtató létesítmények lehetnek városi központokban vagy a szükséghelyzethez közelebb, nem pedig ipari parkban vagy lakóhelyektől távol. Ráadásul a zajszennyezés szempontjából a 3D nyomtatók mérhetően csendesebbek, mint a hagyományos gyártó berendezések.

A 3D nyomtatás fenntarthatósági kihívásai

A fenti pontok bármelyike elég ok lehet arra, hogy a vállalatok az additív gyártás felé forduljanak, hogy fenntarthatóbbá váljanak. A fenntarthatósági jellemzők és lehetőségek ellenére azonban az AM nem teljesen zöld. Az additív gyártás legnagyobb környezetvédelmi kihívása ma az, hogy mit kezdjünk a hulladékkal, például a sikertelen és elavult nyomatokkal, a felesleges vagy elhasznált folyékony gyantákkal és műanyagporokkal, a hordozóanyagokkal és a fémnyomtatás melléktermékeivel.

Bár kevés adat áll rendelkezésre arról, hogy az additív gyártás mennyi hulladékkal terheli a környezetet, minél egyszerűbbé és olcsóbbá válik a szakemberek számára a 3D nyomtatás, annál többet fognak nyomtatni - mondja Jeremy Faludi, az additív gyártás fenntarthatóságának egyik vezető kutatója. Mivel az olcsó 3D nyomtatók lehetővé teszik a tervezők számára a prototípusok gyors, többszöri ismétlését, ez új hulladékproblémát vet fel. A Filamentive újrahasznosított szálakat gyártó cég felmérése szerint 2020-ban akár 8 millió kilogramm 3D nyomtatott műanyaghulladék is keletkezhet.

Iparági szintű újrahasznosítási kezdeményezések hiánya

Bár a 3D nyomtatáshoz használt legnépszerűbb műanyag filament, a PLA (polimájsav) egy biológiailag lebomló hőre lágyuló műanyag, amelyet megújuló erőforrásokból, például kukoricakeményítőből vagy cukornádból állítanak elő, csak ipari kezelés után bomlik le, és általában nem lehet feldolgozni a tipikus fogyasztói újrahasznosító vagy komposztáló központokban. Bár az AM-ben nagy lehetőségek rejlenek az anyagfelhasználás zárt körforgásának létrehozására - a nyomtatott alkatrészek újrahasznosítása nyersanyaggá -, a gyakorlatban ez még messze nem jellemző.

Ma mindössze néhány olyan vállalat van, amely újrahasznosított műanyaghulladékból műanyagszálakat állít elő. Olyan gépek, amelyek lehetővé teszik a vállalatok számára, hogy saját műanyagnyomtatásukat újra szálakká alakítsák, csak néhány gépgyártótól, például a Filabot Reclaimer-től kaphatók. Az additív gyártás során használt egyéb műanyagokat még nehezebb újrahasznosítani, mint a PLA-t.

Néhányat nem lehet újrahasznosítani, mások pedig a környezetvédelmi előírások miatt speciális ártalmatlanítási módszereket igényelnek. Rengeteg kutatás foglalkozik azzal, hogyan lehetne növelni egyes AM-anyagok fenntarthatóságát, de nem léteznek iparági szintű kezdeményezések. Az újrahasznosíthatóságtól eltekintve, a kőolaj-alapú műanyagok, mint például az ABS (akrilnitril-butadién-sztirol), a környezetre veszélyes olajkitermelési és -finomítási eljárásokkal készülnek, így nem fenntartható anyagválasztás.

A szelektív lézerszinterezésből származó műanyagokat még nehezebb újrahasznosítani vagy újrahasznosítani. "A lézersinterezésnél, a második leggyakrabban használt 3D nyomtatási technológiánál a por akár 50%-a hulladékká válik" - állítja az anyagokat gyártó Materialise. "A használt por újrahasznosításának lehetőségei korlátozottak, és a kizárólag használt porral történő 3D nyomtatás olyan felületi problémákat okoz, amelyek a 3D nyomtatott tárgyat a legtöbb alkalmazáshoz alkalmatlanná teszik."