Ökológiai és fenntartható-e a 3D nyomtatás?

A 3D nyomtatás megjelenését a 20. század második felére datáljuk, amikor még minden technológia környezeti oldalát nem vették fel ilyen mértékben. Azóta a 3D nyomtatás nemcsak a fejlesztésben haladt előre, hanem a felhasználók egyre nagyobb tudatosságra tett szert. Népszerűbbé, megfizethetőbbé és nem utolsósorban a környezetvédelem irányába kritizáltabbá, figyeltebbé vált.

Az elmúlt 10 évben a 3D nyomtatás fejlődése jelentősen előrehaladt, és az otthoni felhasználók olyan gyakori tárgyakat nyomtatnak, mint a figurák, csecsebecsék vagy alkatrészek. A szakterületeken a vizsgálatok a szervek sejtekből történő nyomtatásának koncepciója felé mozdultak el. Az ipar profitál a berendezések alkatrészeinek 3D-s nyomtatásából, az építőipar pedig még az egész ház 3D-s nyomtatásából is. A 3D nyomtatással kapcsolatban egyre többször felmerül a kérdés, hogy milyen környezeti következményei vannak ennek az új nyomtatási technológiának?

3D nyomtatás 

A 3D nyomtatás lényegében több, mint nyomtatás vagy egy bizonyos típusú gyártás. A gyártási folyamatok két fő kategóriába sorolhatók: additív és kivonó. A 3D nyomtatás egy additív gyártási folyamat, míg a tipikus gyártás kivonó.

 Ennek megértéséhez az additív gyártás során a termékek úgy jönnek létre, hogy egy adott anyagból egymás után egymásra rakják a rétegeket, így egy komplett objektumot hoznak létre, ahol minden réteg a tárgy vékony keresztmetszete. A rétegek nyomtatása rétegről rétegre történő lerakással közvetlenül egy "számítógéppel támogatott tervezési" (CAD) modellből történik, lehetővé téve a fizikai objektumok számítógép által generált geometriai ábrázolásból történő létrehozását.

A 3D nyomtatás az 1980-as években lépett a kereskedelmi forgalomba, amikor Charles Hull benyújtotta szabadalmát "Eszköz háromdimenziós objektumok előállításához sztereolitográfia segítségével". A 3D nyomtatási technológiát ma már ékszerek, hajtóművek, hidak, alkatrészek gyártására használják a repülőgépiparban, az élelmiszeriparban, sőt az orvostudományban is használják műszívpumpák és mesterséges szaruhártya készítésére. A 3D nyomtatás legelterjedtebb anyagai a hőre lágyuló műanyagok, a kerámiák, a grafén alapú anyagok és a fém.  Ezen a ponton jutunk el a környezetvédelemhez és ahhoz, hogy a 3D nyomtatás bizonyos környezeti problémákat okozhat.

Először is vessünk egy pillantást a 3D nyomtatás folyamatára. A 3D nyomtatásnak többféle módja van. Mindennek köze van ahhoz, hogy az anyagot hogyan rétegezzük a végső objektum létrehozásához. Az anyagot addig hevítik, amíg folyékony nem lesz, majd a nyomtatófúvókán keresztül hordják fel. A CAD adatok felhasználásával a tervezést 2D részekre "bontják", így a fúvóka tudja, merre kell menni, és vékony rétegekben helyezi el az anyagot. Amint a réteg megszilárdul, a folyamat megismétlődik a végső objektum létrehozásáig. Az objektum méretétől és összetettségétől függően az idő néhány perctől óráktól napokig változhat.

A 3D nyomtatás és a környezetvédelem 

A 3D nyomtatás egyrészt kiváló módja a különféle iparágak számára készült termékek létrehozásának, másrészt a 3D nyomtatási folyamat egyes aspektusai magas energiafogyasztást és káros kibocsátást okozhatnak. A gyártási folyamat néhány tényezője hatással lehet a környezetre, például egy tárgy nyomtatásához szükséges idő vagy a felhasznált anyag típusa. 

Energiafogyasztás nyomtatás közben 

Ha hosszú nyomtatási időre van szükség, az energiafogyasztás növekszik. A jobb minőségű nyomatok több időt vesznek igénybe. Ez nagy kompromisszumot teremt a felhasznált energia és a termék minősége között.

Az energiafogyasztás a nyomtatási folyamaton belül három fázisban határozható meg

- az előmelegítési fázis, amelyben a gép felkészül a nyomtatásra

- ténylegesen kinyomtatja az objektumot

- hűtési folyamat

A nyomtatási folyamat során felhasznált energia mennyiségének egy lehetséges megoldása a felhasznált anyagokban rejlik. Az alacsony hőmérsékletű anyagok használata csökkentheti az energiafogyasztást, csakúgy, mint az olyan eszközök, amelyek egyszerre több komponenst is nyomtathatnak.

Kibocsátások

Ha a környezeti problémákra gondolunk, a legnagyobb mindig a környezetszennyezés. Még ha a nyomtatás első pillantásra nem is tűnik olyan dolognak, amely nagy környezetszennyezést okozhat, ennek az ellenkezője igaz. Az ipari szennyezést leginkább a termelés okozza, a világ üvegházhatású gázkibocsátásának 19%-a pedig az ipari termelési folyamatokhoz kapcsolódik. A 3D nyomtatás során illékony szerves vegyületeknek vagy VOC-knak nevezzük. Számos paraméter befolyásolhatja a VOC-kibocsátást, nevezetesen az anyaghasználat, a gép hőmérséklete, az izzószál színe, az építőlemezre alkalmazott hőmennyiség és a nyomtató modellje.

A VOC-kibocsátás a polimerek és más adalékanyagok termikus lebomlásához kapcsolódik. A 3D nyomtatók esetében sok modell fűtött hőre lágyuló műanyag extrudálásán alapul, ami a keletkező illékony szerves vegyületek miatt veszélyes lehet a beltéri környezetre. A VOC-k mellett a 3D nyomtatás más részecskéket, gáznemű anyagokat és nanorészecskéket bocsáthat ki, amelyek potenciális egészségügyi kockázatot jelenthetnek.

(NEM) Fenntarthatóság 

Sajnos a 3D nyomtatáshoz szükséges anyagok természetüknél fogva fenntarthatatlanok. Az új műanyagok beszerzéséhez kőolajtermékek előállítása, valamint magas szén-dioxid-intenzitás szükséges ahhoz, hogy ténylegesen előállítsák magát a műanyagot. A megoldás az, hogy a 3D nyomtatáshoz újrahasznosított anyagokat vagy nem műanyagokat, például fémet használhatnak, ami hozzájárulna a fenntarthatósághoz.

Vannak-e zöld és fenntartható előnyei a 3D nyomtatásnak? 

Ennek ellenére a 3D nyomtatás számos előnnyel jár a környezet és a fenntarthatóság szempontjából. A 3D nyomtatás és egyéb additív gyártás még fejlesztési szakaszban van. A fejlesztés és az innováció okoz jelentős változásokat a gyártási költségekben és a gyártási időkben, ami a szokásos gyártási folyamatokhoz képest nagyobb hatékonyságot és kisebb környezetterhelést eredményez.

Energia és hatékonyság

A 3D nyomtatás növelheti a gyártási folyamat hatékonyságát, valamint azt az időt és energiát, amellyel a termékek rendeltetési helyükre jutnak. Amikor bioalapú polimereket használnak termékek előállításához, a forráspolimerek biológiailag lebomlanak és nem mérgezőek. Így az anyag helyben elkészíthető, csökkentve a szükséges energia mennyiségét és költségét. Helyezzen el 3D nyomtatókat a kisméretű termékekhez az irodában is, így az alkatrészek, prototípusok és termékek helyben, szállítás nélkül előállíthatók. Ily módon a szabványos teherszállítási módok környezetre gyakorolt hatása csökken. Egy másik tényező a kis tételek 3D-s nyomtatása a szabványos módszerek helyett, amelyek tömeggyártást igényelnek, és amelyek működéséhez energiát is használó termékraktárakat igényelnek.

Ökológiai alternatívák

Alternatív anyagok a 3D nyomtatáshoz ritkák, bár lehetőség van növényi anyagok felhasználásával történő nyomtatásra. Az eldobható tárgyakhoz, például szívószálakhoz használt általános "környezetbarát" anyagok a 3D nyomtatók számára is egyre inkább választottak. A műanyagok algákból készülhetnek, ami megoldhatja a műanyagszennyezési probléma egy részét. Az algákból bioműanyagot lehet készíteni, amely részben vagy teljesen biomasszából vagy megújuló erőforrásokból, leggyakrabban élelmiszernövényekből készült műanyag. Érdekesek, mert ugyanúgy működnek, mint a hagyományos kőolaj alapú műanyagok.

A mikroalgák szerves hulladékon is növekedhetnek, így jó jelöltek biomassza forrásként. Ha azt látjuk, hogy sok van belőlük, használhatjuk, mert a mikroalgák megeszik a hulladékanyagokat és építőanyaggá alakítják. Ez anyagokat is biztosít a termeléshez, és csökkenti a szén-dioxidot a légkörben, mivel az algák CO2-t használnak fel a növekedéshez.

Ha a 3D nyomtatásban figyelembe vesszük a hatékonyságot és az újrahasznosított anyagok használatát, a 3D nyomtatásnak számos pozitív hatása lehet a környezetre. Egyes esetekben ez lehet a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése, új technológiák biztosítása a környezeti monitoringhoz, valamint anyagok biztosítása alternatív energiaforrásokhoz.

Ami a szén-dioxid-kibocsátást illeti

A csökkentett szén-dioxid-kibocsátás annak köszönhető, hogy a 3D nyomtatás nagyobb hatékonysággal képes előállítani a gyártási és különösen a szállítási folyamatot. Minden termék elkészíthető digitális fájlokból a szállítás helyett.

Új technológiák a környezetfigyeléshez

A 3D nyomtatás a levegőminőség monitorozására használt műszerek részeivel járulhat hozzá. Egy másik előny a 3D nyomtatásban mutatkozik meg, amely szűrőket és mosókat hoz létre az ipari szennyezés eltávolítására.

Alternatív energia források 

A 3D nyomtatás alkalmazhatóságának másik ágazata a megújuló energia. Az üzemanyagcellák, szélturbinák és napelemek egyes részeit 3D nyomtatott alkatrészekkel tesztelték. A 3D nyomtatás háromdimenziós fotovoltaikus cellákat hozott létre, és kimutatták, hogy nagyobb energiasűrűséget érnek el, mint a szabványos lapos, helyhez kötött napelemek. A szélturbinák 3D nyomtatott, növényi levél alakú lapátokkal rendelkeznek, amelyek csökkentették a lapátokra nehezedő szélterhelést, az egyedi geometriát pedig a 3D nyomtatási eljárás tette lehetővé. A 3D nyomtatás előnyöket kínál a sebesség, a költség, valamint a kis, összetett formák és minták létrehozásának képességében, amelyek különféle célokra használhatók, beleértve az energiatermelést is.

Jelenleg az a helyzet, hogy a feldolgozóipar, valamint a 3D nyomtatás nagy ökológiai tartalékokkal rendelkezik. A 3D technológia több energiát használ fel, mint a marógépek, esztergák és fúrók. Ez végül abban nyilvánul meg, hogy egy azonos tömegű tárgy előállítása 50-100-szor több áramot fogyaszt a 3D nyomtatásban, mint a hagyományos gépeknél. Ez több kibocsátást is jelent. Ezenkívül nagy a függőség a műanyagoktól, és a műanyag nem ökológiai anyag. Az ipari 3D nyomtatók nagy mennyiségű műanyag mellékterméket állítanak elő, amelyek visszamaradnak, és nem használhatók fel teljesen újra. Ehhez hozzáadhatjuk a hevített műanyag másodlagos nyomtatásából származó füstöket, amelyek mérgező melléktermékek. A 3D nyomtatásnak számos előnye van, és rövid távon fenntartható megoldásokat kínálhat, de környezetvédelmi szempontból még hosszú utat kell megtennie a környezeti hatások csökkentése terén. A megújuló energiaforrások felhasználásának innovációi, a hulladékok és a háztartási hulladékkal jobban kímélő anyagok kiküszöbölése végül jobb vagy teljes fenntarthatóságot érhet el.