Ali je 3D tiskanje ekološko in trajnostno?

Pojav 3D-tiskanja datiramo v drugo polovico 20. stoletja, ko okoljska plat vsake tehnologije še ni bila tako razglašena. Od takrat 3D-tiskanje ni samo napredovalo v razvoju, ampak je doseglo večjo ozaveščenost uporabnikov. Postal je bolj popularen, cenovno dostopnejši in nenazadnje tudi bolj kritiziran in nadzorovan v smeri okolja.

V zadnjih 10 letih je razvoj 3D tiskanja močno napredoval in domači uporabniki tiskajo običajne predmete, kot so figurice, drobnarije ali rezervni deli. Na specializiranih področjih so se študije usmerile k konceptom tiskanja organov iz celic. Industrija ima koristi od 3D-tiskanja delov opreme, gradbeni sektor pa celo od 3D-tiskanja celotne hiše. Vprašanje, ki se vse pogosteje zastavlja v povezavi s 3D tiskanjem, je, kakšne so okoljske posledice te nove tehnologije tiskanja?

3D tiskanje

3D tiskanje je v bistvu več kot tiskanje določene vrste produkcije. Proizvodni procesi spadajo v dve glavni kategoriji: aditivne in subtraktivne. 3D-tiskanje je aditivni proizvodni proces, medtem ko je tipična proizvodnja subtraktivna.

Da bi to razumeli, so v aditivni proizvodnji izdelki ustvarjeni z zlaganjem zaporednih plasti danega materiala, kar ustvari celoten predmet, kjer je vsaka plast tanek prečni prerez predmeta. Plasti so natisnjene z nanašanjem plast za plastjo neposredno iz modela "računalniško podprtega oblikovanja" (CAD), kar omogoča ustvarjanje fizičnih predmetov iz računalniško ustvarjene geometrijske predstavitve.

3D-tiskanje je postalo komercialno v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je Charles Hull prijavil svoj patent "Aparat za izdelavo tridimenzionalnih objektov s stereolitografijo". Tehnologija 3D-tiskanja se danes uporablja za izdelavo nakita, motorjev, mostov, komponent v vesoljski industriji, prehrambeni industriji, uporablja pa se celo v medicini za izdelavo umetnih srčnih črpalk in umetnih roženic. Najpogostejši materiali za 3D-tiskanje so termoplasti, keramika, materiali na osnovi grafena in kovina. Na tem mestu pridemo do okolja in dejstva, da lahko 3D tiskanje povzroči določene okoljske probleme.

Najprej si oglejmo postopek 3D tiskanja. Obstaja več načinov za 3D tiskanje. Vse je odvisno od tega, kako je material slojen, da se ustvari končni predmet. Material se segreje, dokler ni tekoč, nato pa se nanese skozi tiskalno šobo. S pomočjo podatkov CAD je dizajn "razdeljen" na 2D dele, tako da šoba ve, kam mora iti, in nalaga material v tankih plasteh. Takoj, ko se sloj strdi, se postopek ponavlja, dokler ne nastane končni objekt. Odvisno od velikosti in kompleksnosti objekta se lahko čas spreminja od nekaj minut do ur ali dni.

vir: canva

3D tiskanje in okolje

Po eni strani je 3D-tiskanje odličen način za ustvarjanje izdelkov za različne industrije, po drugi strani pa nekateri vidiki procesa 3D-tiskanja povzročajo visoko porabo energije in lahko povzročijo škodljive emisije. Nekaj dejavnikov proizvodnega procesa lahko vpliva na okolje, na primer čas, potreben za tiskanje predmeta, ali vrsta uporabljenega materiala. 

Poraba energije med tiskanjem

Če je potreben daljši čas tiskanja, se količina porabljene energije poveča. Izpisi boljše kakovosti trajajo dlje. To ustvarja velik kompromis med porabljeno energijo in kakovostjo izdelka.

Porabo energije lahko definiramo v treh fazah v procesu tiskanja

- faza predgretja, v kateri se stroj pripravi na tisk

- dejansko tiskanje predmeta

- postopek hlajenja

Možna rešitev za količino porabljene energije v procesu tiskanja je v uporabljenih materialih. Uporaba nizkotemperaturnih materialov lahko zmanjša porabo energije, kot tudi uporaba naprav, ki lahko tiskajo več komponent hkrati. 

Emisije

Ko razmišljamo o okoljskih problemih, je največji vedno onesnaževanje. Četudi se tiskanje na prvi pogled ne zdi nekaj, kar lahko povzroči veliko onesnaženja, je ravno nasprotno. Industrijsko onesnaženje večinoma povzroča proizvodnja, 19 % svetovnih emisij toplogrednih plinov pa je povezanih s procesi industrijske proizvodnje. 3D tiskanje proizvaja tisto, kar imenujemo hlapne organske spojine ali HOS. Obstaja več parametrov, ki lahko vplivajo na emisije VOC, kot so uporaba materiala, temperatura stroja, barva žarilne nitke, količina toplote, uporabljene za gradbeno ploščo, in model tiskalnika.

Emisije HOS so povezane s toplotno razgradnjo polimerov in drugih dodatkov. V primeru 3D tiskalnikov veliko modelov temelji na iztiskanju segrete termoplastike, ki je lahko nevarna za notranje okolje zaradi proizvedenih HOS. Poleg VOC lahko 3D-tiskanje oddaja druge delce, plinaste materiale in nekatere nanodelce, ki lahko predstavljajo potencialno tveganje za zdravje.

(NE)Trajnost

Na žalost so materiali, potrebni za 3D-tiskanje, sami po sebi netrajnostni. Pridobivanje nove plastike zahteva proizvodnjo naftnih derivatov in visoko ogljično intenzivnost, da dejansko proizvedejo samo plastiko. Rešitev je, da bi 3D tiskanje lahko uporabljalo reciklirane materiale ali neplastične materiale, kot je kovina, kar bi prispevalo k trajnosti.

Ali ima 3D-tiskanje zelene in trajnostne koristi?

Kljub temu pa 3D tiskanje prinaša tudi številne prednosti za okolje in trajnost. 3D-tiskanje in druga aditivna proizvodnja je še vedno v fazi razvoja. Prav razvoj in inovacije povzročajo pomembne spremembe proizvodnih stroškov in proizvodnih časov, kar vodi do večje učinkovitosti in manjšega vpliva na okolje v primerjavi s standardnimi proizvodnimi procesi.

Recikliranje je eden od načinov

Svetovni odpadki so na visoki ravni. Zato bi lahko 3D-tiskanje ponudilo rešitev z uporabo recikliranih materialov za ustvarjanje izdelkov. Do 95 % materiala, uporabljenega pri 3D-tiskanju, je lahko iz recikliranih materialov. Ko se plastika tali, njene kemične vezi oslabijo, zato je treba recikliranemu materialu dodati koščke nove plastike, da zagotovimo močan končni izdelek. Rešitev bi lahko bili reciklirani materiali skupaj z biopolimeri. Polimeri na biološki osnovi potrebujejo nižjo temperaturo, kar lahko zmanjša količino porabljene energije med tiskanjem. 

Energija in učinkovitost

3D-tiskanje lahko poveča učinkovitost proizvodnega procesa, pa tudi čas in energijo, ki sta potrebna, da izdelki prispejo na cilj. Pri uporabi polimerov na biološki osnovi za ustvarjanje izdelkov so izvorni polimeri biorazgradljivi in nestrupeni. Tako je material mogoče pripraviti lokalno, kar zmanjša količino in stroške potrebne energije. 3D-tiskalnike za majhne izdelke postavite tudi v pisarno, kar bo omogočilo, da se deli, prototipi in izdelki proizvajajo lokalno in ne potrebujejo transporta. Na ta način se bo zmanjšal vpliv standardnih načinov tovornega prometa na okolje. Drugi dejavnik je 3D-tiskanje majhnih serij namesto standardnih metod, ki množično proizvajajo in zahtevajo skladišča izdelkov, ki prav tako uporabljajo energijo za delovanje. 

Ekološke alternative

Alternativni materiali za 3D-tiskanje so redki, vendar obstaja možnost tiskanja z rastlinskimi materiali. Pogost "okolju prijazen" material, ki se uporablja za predmete za enkratno uporabo, kot so slamice, postaja tudi izbira za 3D-tiskalnike. Plastiko je mogoče izdelati iz alg, kar bi lahko delno rešilo problem onesnaževanja s plastiko. Iz alg je mogoče izdelati bioplastiko, ki je delno ali v celoti izdelana iz biomase ali obnovljivih virov, najpogosteje živilskih rastlin. Zanimivi so zaradi enake funkcionalnosti kot običajni plastični materiali na osnovi nafte.

Mikroalge lahko rastejo na organskih odpadkih, zaradi česar so dober kandidat za vir biomase. Če vidimo, da jih imamo veliko, bi lahko to izkoristili, saj mikroalge jedo odpadne materiale in jih spreminjajo v gradbene materiale. To zagotavlja tudi materiale za proizvodnjo in zmanjšuje ogljik v ozračju, saj alge za rast uporabljajo CO2.

Če pri 3D-tisku upoštevamo učinkovitost in uporabo recikliranih materialov, ima lahko 3D-tiskanje več pozitivnih učinkov na okolje. V nekaterih primerih je to lahko zmanjšanje emisij ogljika, zagotavljanje novih tehnologij za spremljanje okolja, pa tudi zagotavljanje materialov za alternativne vire energije.

Kar se tiče emisij ogljika

Zmanjšane emisije ogljika so posledica zmožnosti 3D tiskanja za proizvodnjo z višjo stopnjo učinkovitosti v proizvodnem in predvsem transportnem procesu. Vse izdelke je mogoče izdelati iz digitalnih datotek, namesto da bi se zanašali na pošiljanje.

Nove tehnologije za spremljanje okolja

3D-tiskanje lahko prispeva dele k instrumentom, ki se uporabljajo za spremljanje kakovosti zraka. Druga prednost je vidna v 3D tiskanju za ustvarjanje filtrov in pralnikov za odstranjevanje industrijskega onesnaženja.

Alternativni viri energije

Drugi sektor za uporabnost 3D tiskanja je obnovljiva energija. Deli gorivnih celic, vetrnih turbin in sončnih celic so bili testirani s 3D natisnjenimi komponentami. 3D-tiskanje je ustvarilo tridimenzionalne fotonapetostne celice in pokazalo se je, da dosegajo višjo energijsko gostoto kot standardne ravne, stacionarne sončne celice. Vetrne turbine imajo 3D natisnjene lopatice v obliki rastlinskih listov, kar je zmanjšalo obremenitev vetra na lopaticah, edinstveno geometrijo pa je omogočil postopek 3D tiskanja. 3D tiskanje ponuja prednosti v hitrosti, ceni in zmožnosti ustvarjanja majhnih, kompleksnih oblik in modelov, ki jih je mogoče uporabiti za različne namene, vključno s proizvodnjo energije.

Trenutno je situacija taka, da imata proizvodna industrija, pa tudi 3D-tiskanje, velike rezerve v ekologiji. 3D tehnologija porabi več energije kot rezkalni stroji, stružnice in vrtalni stroji. Navsezadnje se to kaže v dejstvu, da proizvodnja predmeta z enako težo porabi 50- do 100-krat več električne energije pri 3D-tisku kot standardni stroji. To pomeni tudi več emisij. Poleg tega obstaja velika odvisnost od plastičnih materialov, plastika pa ni ekološki material. Industrijski 3D tiskalniki proizvajajo velike količine plastičnih stranskih proizvodov, ki ostanejo in jih ni mogoče v celoti ponovno uporabiti. K temu lahko dodamo še hlape sekundarnega tiskanja iz segrete plastike, ki so strupeni stranski produkti. 3D-tiskanje ima veliko prednosti in lahko ponudi kratkoročne trajnostne rešitve, vendar je okoljsko še vedno dolga pot do zmanjševanja vpliva na okolje. Inovacije pri uporabi obnovljivih virov energije, odpravljanju odpadkov in materialih, ki bodo gospodinjskim odpadkom prijaznejši, lahko sčasoma dosežejo boljšo ali popolno trajnost.