مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد القابلة للتحلل: دليل للتصنيع الصديق للبيئة

3حولت طباعة D التصنيع عن طريق تحويل نماذج CAD المعقدة إلى أجزاء مادية بسرعة وبأسعار معقولة. لكن صعود هذه التكنولوجيا قد جلب أيضًا مشكلة كبيرة: معظم مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد هي بلاستيك غير قابلة للتحلل. تتراكم هذه المواد البلاستيكية في مدافن النفايات وتضر بالبيئة إذا لم يتم التخلص منها بشكل صحيح.

الحمد لله, الصناعة تتحول نحو مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد القابلة للتحلل- حلول تتيح لك استخدام قوة الطباعة ثلاثية الأبعاد دون إيذاء الكوكب. في هذا الدليل, سنقوم بتفكيك الأكثر شعبية, ناشئة, والمواد القابلة للتحلل المركب, إيجابياتهم وسلبياتهم, استخدامات العالم الحقيقي, وكيف يغيرون التصنيع.

1. مادة الطباعة ثلاثية الأبعاد القابلة للتحلل الأكثر شعبية: جيش التحرير الشعبى الصينى

جيش التحرير الشعبى الصينى (حمض بولييلاكتيك) هو العمود الفقري للطباعة ثلاثية الأبعاد الصديقة للبيئة. إنه رخيص, من السهل العثور عليه, ويعمل مع معظم طابعات المستهلك ثلاثية الأبعاد (وخاصة نماذج FDM). دعنا نلقي نظرة فاحصة على سبب استخدامها على نطاق واسع.

كيف يتم صنع PLA

جيش التحرير الشعبى الصينى يأتي من المتجددة, مصادر نباتية. يبدأ بالكربوهيدرات مثل قصب السكر, نشا الذرة, أو حتى نفايات البطاطس. يتم تخمير هذه المواد في ظل ظروف خاضعة للرقابة لصنع حمض اللبنيك. ثم, يتم تحويل حمض اللبنيك إلى PLA من خلال عمليتين:

• التكثيف المباشر لمونومرات اللاكتات
• بلمرة اللاكتيد (مشتق حمض اللبنيك)

هذا يعني أن PLA 100% النبات القائم على النبات-لا حاجة للبترول.

الخصائص الرئيسية من PLA

خصائص PLA تجعلها مثالية للعديد من مشاريع الطباعة ثلاثية الأبعاد. إليك كيفية تكديسها ضد المواد البلاستيكية المشتركة:

استخدامات العالم الحقيقي من PLA

PLA في كل مكان لأنها آمنة ومتعددة الاستخدامات. فيما يلي بعض التطبيقات الشائعة:

• تغليف الأغذية: جيش التحرير الشعبى الصينى معتمدون من FDA آمن للاتصال بالطعام. تستخدمها الشركات لصنع حاويات يمكن التخلص منها, أكواب, والأغلفة. على سبيل المثال, يستخدم مخبز صغير في بورتلاند حاويات PLA المطبوعة ثلاثية الأبعاد لمعجناتها-هذه الحاويات تنهار في السماد الصناعي في 6-12 شهرًا.
• الأجهزة الطبية: لأن PLA غير سامة, يتم استخدامه لأجزاء طبية مؤقتة مثل غرز القابلة للذوبان, أدلة جراحية, أو يلقي. اختبر مستشفى أوروبي من طراز PLA المطبوع ثلاثية الأبعاد في 2023; أفاد المرضى أنهم أخف وزنا من القوالب التقليدية, وتوظيف جيش التحرير الشعبى الصينى بشكل طبيعي بعد شفى العظم.
• السلع الاستهلاكية: الهواة والشركات الصغيرة تطبع جيش التحرير الشعبى الصينى في الألعاب, ديكور المنزل (مثل الأواني النباتية), وحتى ألياف النسيج للملابس.

إيجابيات وسلبيات PLA

2. المنافس الناشئ: فا

فا (polyhydroxyalkanoate) هي مادة جديدة قابلة للتحلل والتي اكتسبت اهتمامًا - على الرغم من أنها لم تتوفر على نطاق واسع بعد. على عكس PLA (على أساس النبات), تصنع PHA بواسطة البكتيريا, الذي يعطيها بعض المزايا الفريدة.

كيف يتم إنتاج PHA

PHA هو "البلاستيك الميكروبي". ها هي العملية:

1. بكتيريا محددة (يحب Ralstonia eutropha) يزرعون في بيئة غنية بالمغذيات.
2. تخزن البكتيريا الطاقة مثل PHA داخل خلاياهم (على غرار كيفية تخزين البشر الدهون).
3. يتم استخراج PHA من الخلايا البكتيرية وتحول إلى مسحوق أو خيوط للطباعة ثلاثية الأبعاد.

هذه العملية أكثر تعقيدًا من صنع جيش التحرير الشعبى الصينى, وهذا هو السبب في أن PHA لا يزال قيد التطوير.

لماذا PHA يهم: المزايا الرئيسية

أكبر نقطة بيع في PHA هي أنها قابلية التحلل الحيوي السريع. على عكس PLA, الذي يحتاج إلى السماد الصناعي, يمكن أن تنهار PHA في غضون 1-3 أشهر فقط - حتى في أكوام السماد العضوي أو البيئات البحرية. فيما يلي فوائده الأخرى الأخرى:

• مقاومة للأشعة فوق البنفسجية: PHA لا ينهار في ضوء الشمس, لذلك من الجيد للمشاريع الخارجية (مثل مزارعي الحديقة).
• رطوبة مقاومة: يصد الماء بشكل أفضل من جيش التحرير الشعبى الصينى, مما يجعلها مفيدة لعناصر مثل الحالات المقاومة للماء.
• المرونة الطبيعية: PHA أكثر مرونة من PLA, لذلك من الرائع بالنسبة للأجزاء التي تحتاج إلى الانحناء (مثل المفصلات أو قبضة الهاتف).

القيود الحالية لـ PHA

PHA ليست جاهزة للاستخدام السائد بعد. هذا هو السبب:

• تكلفة عالية: لأنه من الصعب إنتاج, تكلفة PHA 2-3 مرات أكثر من PLA (حاليا ~ (60- )80 لكل كجم).
• من الصعب العثور عليها: عدد قليل جدا من العلامات التجارية تبيع خيوط pha - معظمها لا يزال في الاختبار المختبر.
• أداء أقل: مقارنة مع PLA, PHA لديها قوة أقل وخفض المقاومة الحرارية (يخفف في ~ 50 درجة مئوية).

مثال: PHA في البحث

فريق في جامعة كاليفورنيا, ديفيس, يختبر PHA للأدوات الزراعية المطبوعة ثلاثية الأبعاد (مثل مزارعي البذور). الأدوات تحتاج إلى الاستمرار 1-2 مواسم النمو, ثم كسر في التربة. تُظهر الاختبارات المبكرة أعمال PHA - بعد 3 أشهر في التربة, لقد تحلل المزارعون 70%.

3. الوافد الجديد: للاهما (مواد مضافة تشبه الفطريات)

Flam هي واحدة من أكثر المواد القابلة للتحلل الجديدة إثارة. إنه ليس بلاستيك - إنه مصنوع من اثنين من أكثر البوليمرات الطبيعية وفرة على الأرض: السليلوز (من النباتات) و الشيتين (من الفطريات, قذائف الروبيان, أو حشرات الهياكل الخارجية).

ما الذي يجعل فريد فريدة من نوعها

Flam هو تغيير اللعبة لأنه:

• سوبر مستدام: السليلوز والشيتين موجودان في كل مكان - إنهما منتجات نفايات من الزراعة, معالجة المأكولات البحرية, والغابات. إن استخدامها لليوم يحول النفايات إلى مادة قيمة.
• متنوع القدرات: على عكس PLA أو PHA (والتي هي في الغالب لطباعة FDM), يعمل Flam من أجل الأعمال الخشبية, صب, النمذجة, والطباعة ثلاثية الأبعاد. خصائصها الميكانيكية متطابقة تقريبًا مع رغوة البولي يوريثان - Soft ولكنها متينة.
• فائقة الرمي: تكاليف للاهما 10 مرات أقل من القيمة المطلقة أو جيش التحرير الشعبى الصينى. يقدر الباحثون أنه بمجرد إنتاجه بالجملة, يمكن أن يكلف أقل من ذلك $2 لكل كجم.

التحديات الحالية لليام

لا يزال فلام في المراحل المبكرة. إليك ما يعيقه:

• عدم وجود البحوث: لا يوجد سوى عدد قليل من الدراسات حول أداء الطباعة ثلاثية الأبعاد في Flam. لا يزال العلماء يكتشفون أفضل طريقة لطباعته (على سبيل المثال, درجة الحرارة المثلى, ارتفاع الطبقة).
• عملية الطباعة المعقدة: Flam له نسيج مختلف عن الخيوط البلاستيكية - إنه أشبه بعجينة. هذا يعني أن الطابعات ثلاثية الأبعاد تحتاج إلى فوهات أو تعديلات خاصة لاستخدامها.
• لا توفر تجاري: لا يمكنك شراء خيوط اللهب حتى الآن. يتم استخدامه فقط في مختبرات الجامعات ومشاريع بدء التشغيل الصغيرة.

حالة اختبار واعدة

في 2024, تم اختبار شركة ناشئة هولندية تسمى MyCoworks Flam للأثاث المطبوع ثلاثي الأبعاد. قاموا بطباعة كرسي صغير باستخدام فلام, وقد تمسك 150 كجم من الوزن. بعد الاختبار, تم تسميد الكرسي في حديقة منزلية وانهارت بالكامل 4 شهور.

4. المركبات القابلة للتحلل: إصلاح قيود المواد الفردية

مواد قابلة للتحلل البيولوجي (مثل PLA أو PHA) لديك عيوب - pla ضعيفة, PHA مكلفة, فلام لم يختبر. هذا هو المكان المركبات القابلة للتحلل ادخل. هذه مواد مصنوعة عن طريق خلط اثنين أو أكثر من المواد القابلة للتحلل البيولوجي للجمع بين نقاط قوتها وإصلاح نقاط ضعفهم.

المركبات القابلة للتحلل البيولوجية الشهيرة للطباعة ثلاثية الأبعاد

فيما يلي أكثر المركبات الواعدة التي يتم اختبارها اليوم:

لماذا المركبات هي المستقبل

المركبات تحل أكبر مشاكل المواد الفردية. على سبيل المثال:

• لا يمكن للجيش التحرير الشعبى الصينى معالجة درجات الحرارة العالية, لكن إضافة 10% PHA يجعلها أكثر مقاومة للحرارة.
• PLA المملوءة بالخشب أرخص من الخشب النقي ولكن لديه نفس المظهر الطبيعي-رائع للأثاث أو الأجزاء الزخرفية.

الجانب السلبي الوحيد? معظم المركبات لا تزال غير متوفرة على نطاق واسع. فقط عدد قليل من العلامات التجارية (مثل prusament و esun) بيع PLA مملوءة بالخشب, وما زالت الطحالب في الاختبار المختبر.

5. حرير معاد تدويره: بديل صديق للبيئة (حتى لو لم يكن قابلاً للتحلل الحيوي)

على الرغم من أنه ليس من الناحية الفنية قابلة للتحلل, حرير معاد تدويره (مصنوعة من البلاستيك المعاد تدويره) هو خيار آخر صديق للبيئة للطباعة ثلاثية الأبعاد. إنه ليس جديدًا, لكنها تكتسب جرًا لأنها تبقي البلاستيك خارج المكب.

كيف يعمل الحرير المعاد تدويره

خيوط الحرير المعاد تدويرها مصنوعة من النفايات البلاستيكية بعد المستهلك-مثل زجاجات المياه القديمة, أكياس بلاستيكية, أو حتى تجاهل قصاصات الطباعة ثلاثية الأبعاد. يتم ذوبان البلاستيك, تنظيف, وقذف في خيوط.

لماذا هو خيار جيد

• يقلل من النفايات: كل كيلوغرام من الحرير المعاد تدويره يبقي ~ 10 زجاجات بلاستيكية من مدافن النفايات.
• أداء مماثل لجيش التحرير الشعبى الصينى: الحرير المعاد تدويره لديه قوة مماثلة وقابلية للطباعة إلى جيش التحرير الشعبى الصينى, لذلك من السهل الاستخدام مع الطابعات الموجودة.
• بسعر معقول: يكلف نفس جيش التحرير الشعبى الصينى (\(25- )35 لكل كجم).

استخدام الحالة

تستخدم شركة ناشئة تسمى Refil البلاستيك المعاد تدويره من عمليات التنظيف الساحلية لصنع خيوط طباعة ثلاثية الأبعاد. يتم استخدام الحرير المعاد تدويره لطباعة ألعاب الشاطئ - لذا فإن البلاستيك الذي يتم تحويله إلى الشواطئ الملوثة إلى شيء مفيد.

عرض Yigu Technology على مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد القابلة للتحلل

في Yigu Technology, نعتقد أن مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد القابلة للتحلل هي مستقبل التصنيع المستدام. PLA هي نقطة انطلاق رائعة للمستهلكين, لكننا متحمسون لإمكانات PHA و Flam - خاصة للاستخدام الصناعي. نحن نستثمر في ص&D لجعل PHA أكثر بأسعار معقولة وليخامة أسهل في الطباعة, بحيث يمكن للشركات التبديل إلى مواد صديقة للبيئة دون التضحية بالأداء. كما نرى المركبات مفتاح: فريقنا يختبر جيش التحرير الشعبى الصينى جديد + مركب القنب أقوى من PLA النقي و 100% قابلة للتحلل. في الوقت الراهن, نوصي PLA لمعظم المستخدمين, لكننا نشجع على محاولة الحرير المعاد تدوير. الهدف واضح: اجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد خضراء للجميع.

التعليمات: تم الرد على أسئلتك حول مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد القابلة للتحلل

1. هل يمكنني سماد جيش التحرير الشعبى الصينى في المنزل, أو هل أحتاج إلى منشأة سماد صناعي?

PLA فقط التحلل البيولوجي في مرافق السماد الصناعي (التي لها درجات حرارة عالية - 55-70 درجة مئوية - والكثير من الرطوبة). إذا وضعت جيش التحرير الشعبى الصينى في كومة السماد المنزلي, سوف ينهار ببطء شديد (أكثر من 2-3 سنوات) أو لا على الإطلاق. لتسميد PLA بشكل صحيح, تحقق مما إذا كانت إدارة النفايات المحلية تقدم خدمات التسميد الصناعي.

2. هل PHA أفضل من PLA لمشاريع الطباعة ثلاثية الأبعاد في الهواء الطلق?

نعم! PHA مقاوم للأشعة فوق البنفسجية ويمكن أن ينهار في البيئات الخارجية (مثل التربة أو المطر), في حين أن PLA تصبح هشة في ضوء الشمس ولن تتحلل في الخارج. للمشاريع في الهواء الطلق (مثل مزارعي الحديقة أو مغذيات الطيور), PHA خيار أفضل - ضع في اعتبارك أنه أكثر تكلفة وأصعب في العثور عليها.

3. هل أحتاج إلى طابعة ثلاثية الأبعاد خاصة لاستخدام مواد قابلة للتحلل مثل Flam أو PHA?

معظم المواد القابلة للتحلل (مثل جيش التحرير الشعبى الصينى, PLA مملوءة بالخشب, أو حرير معاد تدويره) العمل مع طابعات FDM القياسية. لكن, تحتاج PHA إلى درجة حرارة طباعة أعلى قليلاً (200-240 درجة مئوية) من PLA, لذلك قد تحتاج إلى ضبط إعدادات الطابعة الخاصة بك. Flam أكثر صعوبة-إنها مادة تشبه المعجون, لذلك ستحتاج إلى طابعة ذات فوهة أكبر (0.6مم أو أكبر) وربما سرير ساخن لمنع التزييف.