האם ניילון הוא חומר בר קיימא להדפסת תלת מימד?

ניילון הוא פולימר סינטטי מסוג פוליאמיד. בייצור תוסף, הוא משמש בצורת נימה (PA6) עבור טכנולוגיית FDM, או בצורת אבקה (PA11 ו-PA12) עבור טכנולוגיות כגון סלקטיבי לייזר סינטינג או MultiJet Fusion של HP. למרות שניילון הוא חומר בשימוש נרחב בתעשיית ההדפסה התלת מימדית, הוא לפעמים נושא לוויכוח מכיוון שהוא לא האופציה הכי עמידה בשוק. הדבר נובע מגורמים שונים, כגון הרכב פוליאמידים מסוימים, מידת המחזוריות והשימוש החוזר בחומר, או פליטת גזים בתהליך הייצור.

אם נתמקד רק בהדפסת תלת מימד ניילון, ברור כי בהתאם לסוג, מקור והרכב הפוליאמיד, לחומר זה תהיה השפעה גדולה או פחותה על הסביבה. כדי להבין טוב יותר את תפקידו בתעשייה ואת טביעת הרגל הפחמנית שלו, ננסה לנתח את התכונות והביצועים של ניילון בצורת אבקה וגם בצורת נימה. כיצד מודפס נימה PA6, מהם ההבדלים בין PA11 ל-PA12, היכן עומדת תעשיית התלת-ממד בכל הנוגע לשימוש ועמידות בניילון, והאם יש חלופות כדאיות?

PA6, חוט הדפסה תלת מימד תובעני

חוט PA6 הוא פולימר תרמופלסטי חצי גבישי ואחד הפוליאמידים הנפוצים ביותר בעולם. ל-PA6 נקודת התכה של 220 מעלות צלזיוס ונמצאת בשימוש נרחב בתחומים שונים בגלל ביצועי העלות הטובים שלו. למרות שבאופן מסורתי נעשה בו שימוש בשיטות ייצור תעשייתיות, הוא צובר פופולריות בתעשיית ההדפסה התלת מימדית בשל תכונותיו המכניות המעניינות והיכולת ליצור חלקים בעלי ביצועים גבוהים. בנוסף, PA6 הוא חומר קשה יותר להדפסה בתלת מימד מאשר פלסטיק סטנדרטי כמו PLA או ABS. טווח טמפרטורת ההדפסה שלו הוא בין 250-270℃, ולכן יש להבטיח סביבת עבודה מתאימה כדי למנוע ממנו להתכווץ.

מבחינת מקורו, הוא שונה מסוגים אחרים של פוליאמידים בכך שהוא נוצר על ידי פילמור פתיחת הטבעת, אחד ממסלולי סינתזת פולימרים רבים. זה הופך את זה למקרה מיוחד בהשוואה בין פולימרי עיבוי (כאשר מולקולת המונומר כולה הופכת לחלק מהפולימר) לבין פולימרי תוספת (כאשר מולקולת מונומר מאבדת חלק אחד כשהיא הופכת לחלק מהפולימר). כאשר מנתחים את ההשפעה הסביבתית של פוליאמיד 6 ומתקדמים לעבר חומרים ברי קיימא יותר, יש לקחת בחשבון שני היבטים חשובים. ראשית, תהליך הייצור המשמש להשגת החומר, ושנית, חומרי הגלם המעורבים בתהליך המרה זה, שניהם יגדירו את טביעת הרגל הפחמנית של פוליאמיד זה.

הרכב והשפעה סביבתית של PA11 ו-PA12

מבחינה כימית, הפוליאמידים 11 ו-12 דומים מאוד הם שונים רק באטום פחמן אחד בעמוד השדרה של הפולימר. עם זאת, לאטום הבודד הזה יש השפעה עצומה על האופן שבו פולימרים מאורגנים ליצירת חומר. מעבר לכך, ההבדל העיקרי בין אבקות פוליאמיד המשמשות להדפסת תלת מימד הוא מקורן. מצד אחד, PA11 הוא פולימר חצי גבישי המופק מחומרי גלם "ירוקים", ותהליך הסינתזה קרוב יותר ל-PA6 מאשר ל-PA12. סוג זה של ניילון הוא מקור ביולוגי, כלומר הוא מופק מחומרי גלם מתחדשים המופקים מנגזרות צמחיות (בעיקר שמן קיק). מבחינת היישומים שלו, פוליאמיד 11 משמש בעיקר כאשר נדרשים עמידות כימית טובה, גמישות, חדירות נמוכה ויציבות מימדית, כלומר בסביבות קשות למדי.

PA12, לעומת זאת, היא אבקה סינתטית עדינה המופקת מנפט. התכונות הבסיסיות שלו נקבעות על ידי המבנה הכימי של הפוליאמיד עצמו והתוספים או הסיבים שנוספו להרכב. תכונותיו החשובות ביותר הן עמידות גבוהה בפני חומרים כימיים, תנאי סביבה והשפעות, כמו גם ספיגת מים נמוכה, עיבוד קל מאוד ולבסוף עמידות טובה בפני שחיקה והחלקה. היישומים העיקריים של פלסטיק זה הם בתעשיות היי-טק כמו רכב וחלל. כפי שצוין לעיל, זה נובע מהתכונות המכניות המצוינות שלו, שהן חיוניות בתחומים מיוחדים אלה.

כדי להבין טוב יותר את ההבדלים בין שני הפוליאמידים וליתר דיוק את מקורם, מציינת Sculpteo באתר האינטרנט שלה: "PA11 HP מבוסס על 100% מקורות ביומסה מתחדשים מתקבלים מצמח הקיקיון. השמן הופך לאחר מכן ל- a מונומר (11-aminoundecanoic acid) ולבסוף חומר PA11 זה מהווה חלופה בת קיימא ל-PA12 ומספק פתרון מעניין לרכיבים הדורשים מגע עם העור קיימות, אם כי זה תלוי ביישום החלק המודפס בתלת מימד.

בהתחשב במאפיינים של שני הפוליאמידים, נראה כי ביו-פלסטיק במבט ראשון מהווה אלטרנטיבה טובה יותר לפלסטיק קונבנציונלי, מכיוון שהוא עשוי בחלקו ממשאבים מתחדשים והוא מתכלה. עם זאת, Nuno Neves, מוביל עיצוב ב-FICEP S3, אמר לנו: "כדי לקבוע אם ביו-פלסטיק מתאים יותר לסביבה שלנו מאשר פלסטיק קונבנציונלי, עלינו לקחת בחשבון מספר גורמים לאורך כל מחזור החיים של פלסטיק קונבנציונלי בהשוואה לביו-פלסטיק, כולל פליטת גזי חממה ואפשרויות מיחזור זה מה שאנחנו עושים ב-FICEP S3 עם כל חומר שאנחנו מעצבים. אנחנו מקבלים החלטות על סמך נתונים ומציאות מדעית »

ניילון, הדפסת תלת מימד ועמידות

כמו פלסטיק סינתטי אחר, ניילון אינו חומר שמתכלה על ידי הסביבה. כך גם לגבי משאבי טבע אחרים, כמו נייר, עץ או זכוכית, שמתחמצנים ומתפרקים עם הזמן. לכן, הדרך הנפוצה ביותר להתמודד עם סילוק מורכב של פלסטיק על פני כדור הארץ היא מיחזור, כלומר, השינוי שלהם. יש לזכור כי ביו-פלסטיק כגון PA11 קשה למיחזור מכיוון שברוב הערים אין מתקני עיבוד כאלה. רבים מהם מגיעים למזבלות, מה שגורם להם לאבד חמצן. זה גורם לשחרור מתאן לאטמוספירה, גז חממה חזק פי 23 מפחמן דו חמצני, ומאמינים שהוא גורם לדלדול אוזון גדול יותר מאשר פלסטיק רגיל.

אם נתמקד בשתי הטכנולוגיות העיקריות בהן נעשה שימוש, אנו רואים שלניילון מודפס SLS 3D יש יתרונות מרכזיים בכל הנוגע לקיימות. לאחר השלמת תהליך הייצור, החלק מוקף באבקה לא מרוסנת, המשמשת כתמיכה לחלק המודפס. בטכנולוגיית SLS, ניתן לעשות שימוש חוזר עד 70% מהאבקה הירוקה להדפסות עתידיות. זהו יתרון גדול על פני תהליך FDM מנקודת מבט של קיימות ומיחזור, מכיוון שהמדיה המודפסת אינה מומרת בחזרה לפילמנט לשימוש חוזר.

על מנת להעריך ולשלוט בהשפעה של ארגונים על הסביבה, קיימת מה שנקרא CSR או אחריות חברתית תאגידית, המתייחסת לאחריות של כל ארגון כלפי הסביבה. היבט זה נוכח יותר ויותר באירועים של כל משתתפי הדפסת תלת מימד. למעשה, חברות רבות בתעשייה כבר מפתחות פתרונות מבוססי ביו לצמצום ההשפעה הסביבתית הזו.

Arkema הוא אחד מהכימאים המוכרים בתעשייה ויש לו מגוון חומרים המשמשים בהדפסת תלת מימד, כולל ניילון. לארקמה מומחיות וטכנולוגיה ייחודית בכימיה של קיקונים. ז'אן-לוק-דובואה, ראש תחום קטליזה, תהליכים והערכת ביומסה בארקמה, אמר: "התהליך הביולוגי שלנו מראה שאפשר לייצר בצורה חסכונית מוצרים טכנולוגיים ותחרותיים באמצעות חומרי גלם מתחדשים כדי לענות על ביקוש אמיתי בשוק.

פרוספקט

ברור שלכל החומרים המשמשים בייצור יש השפעה מסוימת על הסביבה, בין אם באמצעות פליטת גזים ובין אם חלקים ניתנים למחזור. יתר על כן, למרות שכרגע אין חלופות ברות קיימא לפוליאמידים שמקורם בנפט, אבני בניין מבטיחות של פוליאמיד מבוססות ביולוגיות נחקרות כעת. ככל שמחירי הנפט ממשיכים להשתנות והמודעות למשבר האקלים גוברת, עשויות להתפתח חלופות נוספות לרכיבי הניילון הנוכחיים.

עדיין מתמקדים בתהליך ההדפסה התלת מימדית עצמו, אנו יודעים שהטכנולוגיה ידועה בהפחתת זמן הייצור ושימוש בחומרים. בנוגע לשימוש בפוליאמיד 11, צוות Arkema מציין באתר האינטרנט שלו: "יותר ויותר חברות דורשות חומרים נקיים וברי קיימא. PA11 הוא פולימר 100% מקורות ביולוגיים, שנבחר בהתאמה מלאה לאסטרטגיות הירוק המיועדות להשגת חברתי תאגידי. יעדי אחריות לגבי השימוש העולמי בניילון, Nuno Neves של FICEP S3 נתן השקפה מורכבת יותר: "הפתרון הוא לא להפסיק לייצר ולהשתמש בפלסטיק שמקורו בנפט, אלא להשתמש בשיטות חכם יותר להשתמש בהם, למחזר אותם בצורה נכונה תפסיק לחשוב שכל דבר 'אורגני' הוא שם נרדף לדברים טובים, האמת היא לעתים נדירות כל כך פשוטה. "

בהשוואה לשתי נקודות מבט אלו, ברור שתעשיית ייצור התוספים נמצאת במסלול הנכון בכל הנוגע לשימוש בניילון. עם זאת, כפי שאמר מר נבס, יש עוד דרך ארוכה לעבור כדי להפוך ל"אורגני" חיובי ולהשיג ייצור בר קיימא יותר עם השפעה סביבתית נמוכה יותר.