Biodegradowalny filament - przyszłość druku 3D

Filament to termoplastyczne tworzywo używane w procesie druku 3D. Do tej pory był najczęściej produkowany głownie z nie biodegradowalnych materiałów. Elementy wydrukowane z tego typu filamentów, jeśli nie zostaną poddane recyklingowi, wywierają szkodliwy wpływ na środowisko. Destrukcyjne działanie na ekosystem to także emisja toksycznych oparów, w przypadku nieprawidłowej obróbki termicznej w trakcie druku, które mogą powodować podrażnienie oczu oraz dróg oddechowych.

Biodegradowalny filament do trójwymiarowego  drukowania 3D.

Druk trójwymiarowy (3D) jest transformacyjnym procesem produkcyjnym, który umożliwia tworzenie obiektów 3D przez osadzanie stopionych warstw materiałów. Obecnie drukarki 3D do modelowania za pomocą osadzania stopionego tworzywa głównie wykorzystują materiały nieulegające biodegradacji. Innowacyjne strategie i możliwości produkcyjne przyspieszyły wykorzystanie różnego rodzaju materiałów biologicznych w druku 3D. Przeprowadzono wiele badań nad rozwojem biofilamentów, które zastąpią klasyczne włókna z tworzywa sztucznego w celu złagodzenia problemu zrównoważonego rozwoju. Ponadto zastosowanie biofilamentu może zmniejszyć koszt filamentu.

Światowe zapotrzebowanie na druk trójwymiarowy (3D) rośnie dość szybko i będzie się rozwijać w nadchodzących dziesięcioleciach. Jest to  technologia stosowana w wielu dziedzinach, w tym w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, badawczym, medycznym i opieki zdrowotnej, budownictwie, architekturze, przemyśle spożywczym i modowym. Unikalne zalety druku 3D obejmują przetwarzanie swobodne, opłacalną i efektywną produkcję oraz krótszy czas od koncepcji do produkcji niż w przypadku produkcji konwencjonalnej.  Szybką, elastyczną, opłacalną i często stosowaną technologią druku 3D, która upraszcza i przyspiesza skomplikowany proces jest modelowanie osadzania topionego włókna (FDM). FDM to proces druku 3D, który ułatwia tworzenie obiektów z cyfrowych danych modelu 3D warstwa po warstwie. FDM i druk 3D zyskały popularność w ostatnich latach ze względu na dużą szybkość i niski koszt procesu produkcji części o złożonym kształcie i geometrii. Jest to najczęściej stosowany proces wytwarzania przyrostowego (AM), który wykorzystuje różne zakresy materiałów, od czystych tworzyw termoplastycznych po kompozyty, a nawet biokompozyty. Termoplastyczne włókno jest podgrzewane do stanu półpłynnego, a następnie wyciskane na platformie roboczej przez dyszę w procesie FDM. Osadzone warstwy zestalają się po stopieniu, aby wytworzyć gotowy produkt.
Szacuje się, że zapotrzebowanie rynku na filament drukarski 3D będzie wzrastało. Utrzymanie zastosowań projektowania, prototypowania w przemyśle obronnym i lotniczym są głównymi determinantami rozwoju sektora włókien drukarskich 3D. Akrylonitrylo-butadien-styren (ABS), octan etylenu winylu, kwas polimlekowy (PLA) i poliamidy są materiałami termoplastycznymi, które są zwykle używane do produkcji włókien FDM. Nie wszystkie filamenty FDM są przyjazne dla środowiska, ze względu na uwalnianie toksycznych związków podczas procesu drukowania i ostatecznie powodują szkodliwy wpływ na zdrowie i środowisko, ponieważ pochodzą z ropy naftowej.

ABS jest uważany za jeden z najczęstszych materiałów, które są szeroko stosowane jako filament w AM. Składa się z kombinacji monomerów akrylonitu, butadienu i styrenu, tworząc pojedynczy polimer o doskonałych właściwościach mechanicznych, łatwości drukowania i dużej trwałości.

PLA jest uważany za jeden z najpopularniejszych niedrogich polimerów termoplastycznych o wysokim module sprężystości i wytrzymałości. Ma niską temperaturę topnienia i wymaga mniejszej energii w druku 3D. Jest powszechnie stosowany w wielu zastosowaniach w przemyśle, w tym AM ze względu na jego odnawialność i biodegradowalność. Nie uwalnia również żadnych niepożądanych gazów ani nieprzyjemnych zapachów podczas procesu.

Biodegradowalne polimery można podzielić na podstawie ich zastosowania, znaczenia gospodarczego, metody przetwarzania, pochodzenia, składu chemicznego i metody syntezy. Naturalne polimery biodegradowalne są otrzymywane z zasobów naturalnych, półsyntetyczne polimery są zaprojektowane jako biodegradowalne, a polimery syntetyczne są nie biodegradowalne i produkowane z ropy. Przykładami pierwszego typu są skrobia, chitozan, celuloza, białko. Drugi typ to polimery mikrobiologiczne polihydroksyalkanian (PHA), celuloza, polimery syntezowe z monomerów (PLA) kwas poliglikolowy (PGA), bursztynian polibutylenu (PBS). Trzeci typ to polialkohol winylowy (PVA), poliestry alifatyczne i aromatyczne tereftalan adypinianu butylenu (PBAT), PBS, polikaprolakton (PCL), politereftalan trimetylenu (PTT).

Innowacyjność biotworzyw zwiększa ich atrakcyjność i konkurencyjność na rynku tworzyw sztucznych. Dzięki wzrastającej świadomości konsumentów odnośnie niekorzystnego wpływu plastiku na Planetę Ziemię, w różnych gałęziach przemysłu rośnie popyt na ekologiczne i przyjazne środowisku materiały, stanowiące świetny zamiennik dotychczasowych produktów wykonanych z konwencjonalnych tworzyw sztucznych.

Nic więc dziwnego, że na rynku światowym coraz więcej producentów biofilamentu wybiera biodegradowalne surowce organiczne takie jak: odpady z plantacji pomidorów, oliwek, kawy, konopi, soi oraz włókno drzewne, korek, a nawet wodorosty. Filament  kompozytowy produkowany z biologicznych materiałów, dzięki nietoksyczności może być wykorzystywany do druku obiektów 3D mających późniejszy kontakt z żywnością.

Aby przetwarzać surowce roślinne na biofilament, należy posiadać odpowiedni zestaw urządzeń do granulacji oraz do produkcji filamentu do druku 3D.

ZAMAK MERCATOR stworzył nowoczesne linie do produkcji filamentu o średnicy od 1,75 mm do 3,00 mm z bardzo wysoką dokładnością wymiarową, która umożliwia łatwe przetwarzanie biotworzyw na biofilament przyjazny dla środowiska. Co ważne przy produkcji tego typu filamentu, wszystkie elementy linii produkcyjnej charakteryzują się niezwykłą wytrzymałością oraz trwałością podzespołów.

Niskie zużycie energii, dzięki wydajnemu i ekonomicznemu strefowemu systemowi grzewczo-chłodzącemu, pomaga ograniczyć koszty produkcji, a termoregulatory stosowane we wszystkich wytłaczarkach ZAMAK MERCATOR, posiadają bardzo dobre parametry techniczne i są proste w obsłudze.

Grzałki oraz układ chłodzenia są jednocześnie regulowane poprzez cyfrowy regulator PID. Takie rozwiązanie umożliwia utrzymanie zadanej temperatury z dużą dokładnością około 1 ^oC oraz pozwala uniknąć tzw. przesterowań, czyli niekontrolowanych wzrostów lub obniżeń temperatury mogących mieć istotny wpływ na jakość biofilamentu.

Całość linii stanowi zestaw kompatybilnych maszyn zaprojektowanych i produkowanych w całości w Polsce przez ZAMAK MERCATOR. Charakteryzują się one wysoką liniową prędkością działania, precyzją, a także intuicyjną obsługą, przy zachowaniu kontroli nad procesem.

Ze względu na restrykcyjne normy jakościowe filamentu do drukarek 3D, przy wprowadzaniu na rynek rewolucyjnego materiału wykorzystywanego w przetwórstwie, jakim jest biofilament, niezbędne jest wykorzystanie sprzętu, na którym można polegać.