Hoe duurzaam is industrieel 3D-printen?

3D-printen wordt aangekondigd als een van de technologieën die slimme, duurzame productie mogelijk maken. Hoewel 3D-printen wordt beschouwd als een minder verspillend proces, blijven de vragen open:waar staat 3D-printen op de groene schaal? Is het inderdaad milieuvriendelijk?

Het artikel van vandaag zoekt naar de antwoorden en onderzoekt misvattingen en feiten over het milieuaspect van de technologie.

3D-printen als duurzame productietechnologie 

Terwijl we streven naar een duurzame toekomst, zoeken bedrijven naar manieren om hun productieprocessen te optimaliseren om energieverbruik en afval te verminderen - een benadering die bekend staat als duurzame productie.

3D-printen wordt vaak gezien als een van de belangrijkste duurzame technologieën, voornamelijk vanwege twee voordelen:het maakt efficiëntere ontwerpen mogelijk en zorgt voor minder afval. Laten we dieper ingaan op deze voordelen.

3D-printen als ontwerpefficiënte technologie

Met 3D-printen kunnen ingenieurs nieuwe ontwerppraktijken verkennen, zoals topologie-optimalisatie, met de mogelijkheid om efficiëntere, lichtgewicht onderdelen te maken.

Topologie-optimalisatiesoftware past computationele algoritmen toe op een reeds bestaand ontwerp om de vorm en het gewicht ervan te optimaliseren.

Voor systemen waar het energieverbruik wordt beïnvloed door het gewicht van het systeem, leiden lichtere, geoptimaliseerde onderdelen op de lange termijn tot brandstofbesparing. Elke gram die wordt verwijderd van het gewicht van auto's of vliegtuigen, vertaalt zich in brandstof die nooit wordt verbrand - en dus CO2 die nooit in de atmosfeer wordt uitgestoten.

In één case study gebruikten onderzoekers van de Northwestern University topologie-optimalisatie om het gewicht van een metalen vliegtuigbeugel te verminderen. Dit resulteerde in een gewichtsvermindering van 65 procent, van 1,09 kg naar 0,38 kg.

De onderzoekers schatten dat door het vervangen van een aantal routinecomponenten door topologie-geoptimaliseerde 3D-geprinte onderdelen, zoals deze beugel, het totale vliegtuig het gewicht kon met 4 tot 7 procent worden verminderd, terwijl het brandstofverbruik met maar liefst 6,4 procent kon worden verlaagd.

Dit betekent een gewichtsvermindering in relatief kleine componenten - vermenigvuldigd met honderden tot duizenden van dergelijke onderdelen gebruikt in een vliegtuig of vloot – kan leiden tot echte besparingen, die zich uiten in een grotere energie-efficiëntie gedurende de levensduur van een product.

Milieu-impact van consolidatie van onderdelen 

Naast het gebruik van topologie-optimalisatie, kunnen bedrijven de ontwerpen van componenten, bestaande uit meerdere onderdelen, verbeteren door ze opnieuw te ontwerpen en als één geheel te 3D-printen. Deze praktijk staat bekend als deelconsolidatie en biedt meerdere voordelen.

Ten eerste vermindert het het aantal onderdelen dat moet worden ontworpen en geproduceerd voor de eindmontage. Ten tweede vereenvoudigt het het montageproces omdat er minder onderdelen aan elkaar gelast of geschroefd hoeven te worden.

Tot slot zorgt consolidatie voor een beter presterend onderdeel dat een grotere duurzaamheid vertoont, dankzij minder naden en nauwere toleranties. Verminderde onderdeelinterfaces betekenen ook minder trillingen en minder paden voor lekken.

Deze voordelen dragen ook bij aan het behalen van duurzaamheidsdoelstellingen. Tot op heden is het meest indrukwekkende voorbeeld van het stimuleren van duurzaamheid door middel van een ontwerp met additieve fabricage (AM) afkomstig van General Electric (GE) en zijn werk aan nieuwe Catalyst-vliegtuigmotoren.

Met de Catalyst nam GE een ontwerp dat oorspronkelijk 855 motorcomponenten vereiste en dit reduceerde tot 12 titanium 3D-geprinte onderdelen die alle functionaliteit van oudere modellen behouden. De veranderingen hebben zowel het gewicht als de productiekosten aanzienlijk verminderd.

Deze belangrijke besparingen zouden de uitstoot echter drastisch kunnen verminderen. GE schat dat de verbeteringen die mogelijk worden gemaakt door 3D-printen helpen om het totale gewicht met 5 procent te verminderen en het remspecifieke brandstofverbruik met 1 procent te verbeteren.

De implicaties van een dergelijke reductie worden versterkt door de schaal van GE:de technologie van het bedrijf drijft al een groot deel van alle luchtvaart aan. Hoe meer de Catalyst wordt geïntegreerd in de algehele productmix van het bedrijf, hoe groter de impact zal zijn in termen van bespaarde emissies.

Verspilt 3D-printen minder hulpbronnen dan traditionele technologieën?

Het korte antwoord:het hangt ervan af met welke technologie 3D-printen wordt vergeleken. In vergelijking met CNC-bewerking, dat een vergelijkbare waardepropositie heeft van economische productie van kleine volumes, heeft 3D-printen een voordeel.

Simpel gezegd, de technologie creëert een object door achtereenvolgens dunne lagen materiaal aan elkaar te hechten, die elk een dwarsdoorsnede zijn van het laatste onderdeel. Hierdoor kunnen 3D-printers, afhankelijk van het proces, de exacte hoeveelheid materiaal die nodig is voor het onderdeel smelten, versmelten, binden of sinteren.

Bij een subtractief proces zoals machinale bewerking, wordt het materiaal uit een massief blok gesneden om een ​​definitief onderdeel te creëren. In veel gevallen gaat slechts een klein percentage van het materiaal in een definitief onderdeel, waarbij het weggesneden materiaalafval vaak meer dan 50 procent bedraagt.

Het verminderen van deze verspilling, door over te stappen op 3D-printen, is een van de voordelen die de additieve technologieën zo aantrekkelijk maken.

Een andere technologie waarmee 3D-printen vaak wordt vergeleken, is spuitgieten. Hoewel spuitgieten bijna een afvalvrij proces is, is het vaak tijdrovend als er kleine hoeveelheden onderdelen nodig zijn.

In een poging om hoge gereedschapskosten terug te verdienen, is het niet ongebruikelijk dat fabrikanten meer onderdelen spuitgieten dan nodig is, waardoor de overtollige onderdelenvoorraad behouden blijft. Dit resulteert in extra voorraadkosten en bijbehorende verspilling van grondstoffen.

Vergeleken met spuitgieten stelt 3D-printen fabrikanten in staat om kleine batches onderdelen te produceren, zonder dat ze zich zorgen hoeven te maken over gereedschap. Uiteindelijk betekent dit dat 3D-printen het exacte aantal bestelde onderdelen kan produceren, waardoor grondstof- en voorraadruimte wordt bespaard.

Afvalstromen bij 3D-printen

Dat gezegd hebbende, 3D-printprocessen zijn niet per definitie afvalloos. Er zijn twee belangrijke bronnen van verspilling, de ene is afval na de verwerking en de andere - mislukte afdrukken.

Vanwege de ontwerpoverwegingen hebben onderdelen die zijn ontworpen voor 3D-printen meestal ondersteuningen nodig - structuren die helpen om vervorming van onderdelen tijdens het 3D-printproces te voorkomen.

Nadat het proces is voltooid, moeten de ondersteuningen worden verwijderd. Verspilling, als gevolg van ondersteuning, is meestal niet enorm, maar er moet toch rekening mee worden gehouden.

Bijvoorbeeld, bij metaalpoederbedfusie (PBF) kunnen steunen ongeveer 10 procent van het afval genereren. Met een goede ontwerpaanpak, gericht op het minimaliseren van ondersteuningen, is het echter mogelijk om dit aantal te verminderen tot ongeveer 2 procent.

Een andere afvalproducerende stap in de nabewerking is de oppervlakteafwerking. Voor polymeer 3D-geprinte onderdelen is de hoeveelheid van dit soort afval verwaarloosbaar.

Aan de andere kant kan de nabewerking van sommige metalen 3D-geprinte onderdelen een veel grotere hoeveelheid afval opleveren. Dit is met name het geval bij processen met een lage resolutie, zoals op draad gebaseerde Direct Energy Deposition, waarbij onderdelen moeten worden bewerkt om een ​​bijna-netvorm te krijgen. Een voorbeeld van draad DED afval wordt getoond in de onderstaande afbeelding.

Defecte onderdelen

Mislukte afdrukken zijn een andere grote bron van verspilling. Er is nog steeds een gebrek aan inzicht in hoe ontwerp voor AM het beste kan worden gebruikt, wat verschilt van traditionele ontwerpbenaderingen.

Zonder deze expertise kan een succesvol ontwerp worden gemaakt dat niet zal mislukken, terwijl de proceskosten behouden blijven. effectief, is uitdagend. Te vaak moeten ingenieurs meerdere onderdelen schrappen voordat ze de optimale bouworiëntatie en ondersteuningsstrategie hebben gevonden.

Gelukkig wordt dit probleem verholpen door gebruik te maken van geavanceerde simulatiesoftware. Dergelijke software geeft ingenieurs een kijkje in hoe een onderdeel zich zal gedragen tijdens het printproces. Het betekent dat ze afdrukproblemen kunnen voorspellen die zouden leiden tot een mislukte afdruk en deze kunnen compenseren in de ontwerpfase.

Kortom, 3D-printen kan inderdaad minder verspillend zijn in vergelijking met machinale bewerking en spuitgieten. Hoewel het zijn eigen afvalstromen heeft, kunnen deze in de meeste gevallen sterk worden geminimaliseerd door er rekening mee te houden in de ontwerp- en bouwvoorbereidingsfasen.

Met geoptimaliseerde ondersteuningsstructuren en het voorkomen van mislukte prints met behulp van simulatie, is de mogelijkheid om een ​​bijna afvalloos 3D-printproces op te zetten binnen handbereik.

3D-printen en afvalbeheer 

Een andere belangrijke duurzaamheidsfactor om te overwegen is de recycleerbaarheid en hergebruik van 3D-printmaterialen. Dit probleem is met name relevant voor de 3D-printindustrie van metaal, waar de materiaalprijzen hoog zijn en er nog steeds misvattingen bestaan ​​dat metaal in poedervorm niet opnieuw kan worden gebruikt.

In metalen PBF blijft, nadat het drukproces is voltooid, een hoeveelheid metaalpoeder niet gesmolten en kan worden gezeefd en vervolgens gemengd met een nieuw poeder in een gespecificeerde verhouding. Veel bedrijven blijven echter sceptisch over poederrecycling en verwijderen vaak al het oude poeder.

In feite hebben meerdere onderzoeken aangetoond dat een juiste recycling en hergebruik van metaalpoeders een minimaal effect heeft op de mechanische eigenschappen van het materiaal .

Deze aanpak maakt het mogelijk om het proces op poederbasis efficiënter en economischer te maken. Daarom ontwikkelen fabrikanten van metalen 3D-printers en technologiebedrijven ook zeefoplossingen voor 3D-printen van metaal, die nu een industrienorm zijn.

Naast het hergebruik van AM-poeder hebben verschillende bedrijven ook benaderingen ontwikkeld om afvalmateriaal te recyclen tot een poeder dat geschikt is voor 3D-printen.

Bijvoorbeeld 6K, voorheen Amastan Technologies, draagt ​​met zijn UniMelt-proces bij aan een volledig circulaire economie. Het maakt gebruik van een gepatenteerde methode voor het mechanisch vermalen van schroot van machinale bewerking, zoals draaiingen en spanen, evenals AM-ondersteuningen en afgekeurde onderdelen tot fijne deeltjes. Deze worden vervolgens door een plasmasysteem gevoerd om hoogwaardige poeders te produceren.

Met oplossingen zoals die van 6K komt de metaal-AM-industrie dichter bij het gebruik van 100 procent van de materialen die de metaal-AM-toeleveringsketen binnenkomen.

Hergebruik van thermoplasten 

Ondanks de vooruitgang op het gebied van metaalrecycling, vinden de meeste recyclinginitiatieven plaats in de polymeer 3D-printruimte. Veel bedrijven produceren tegenwoordig plastic filamenten van gerecycled plastic. Onder hen zijn bedrijven als GreenGate3D, Filamentive, NefilaTek, Refil en RePLAy 3D die volledig of gedeeltelijk gerecyclede filamenten produceren.



In een voorbeeld werden 30.000 waterflessen gerecycled tot filament om een ​​3D-print te maken openbare structuur in Dubai (hierboven). Het paviljoen laat zien hoe 3D-printen kan worden toegepast op creatieve structuren met materialen die anders zouden worden weggegooid.

Afvalbeheer bij 3D-printen met hars 

Hoewel thermoplasten, zoals filament, gemakkelijk te recyclen zijn door ze gewoon om te smelten, bestaat het proces voor het recyclen van harsmaterialen momenteel niet.

Harsmaterialen die worden gebruikt in stereolithografie en materiaalstraalprocessen, hebben de neiging viskeus te zijn en een chemische reactie, zoals een toepassing van energie van een laser, zorgt ervoor dat de materialen stollen. Het resulterende object kan niet worden gerecycled tot origineel materiaal om opnieuw te worden afgedrukt. Eenmaal gemaakt, is het klaar.

Dit betekent dat alle restjes van 3D-printen met hars, inclusief ondersteunende structuren en mislukte prints, in wezen onherstelbaar afval zijn.

Afvalbeheer in SLS 

De herbruikbaarheid van polymeerpoeders die worden gebruikt in het Selective Laser Sintering-proces is ook niet helemaal eenvoudig.

Normaal gesproken is het niet-gesmolten ondersteuningspoeder in een SLS-machine hetzelfde materiaal dat wordt gebruikt om een ​​onderdeel te printen, en het is meestal duur. Dit zou natuurlijk geen probleem zijn als het poeder 100 procent hergebruikt zou kunnen worden, wat momenteel onmogelijk is.

Eén reden is dat in het SLS-proces polymeren worden blootgesteld aan hoge hitte gedurende lange tijdsperioden, waardoor chemische veranderingen ondergaan die hun sinterkenmerken veel minder voorspelbaar maken.

Momenteel is de enige manier om dit probleem op te lossen het mengen van 'gebruikt-maar-niet-gefuseerd' poeder met ongeveer 50 procent nieuw poeder, zodat het opnieuw kan worden gebruikt. Voor sommige hoogwaardige poeders, zoals PEEK, wordt de verversingssnelheid drastisch verlaagd en in sommige gevallen kan geen van het overtollige poeder opnieuw worden gebruikt.

Geschat door een serviceprovider, van 500 kg PA 2200 (nylon) poeder dat het per maand koopt, '25% wordt een onderdeel, 25% is afval en 50% wordt hergebruikt voor het opfrissen van de volgende build'.

Introductie van een machine die goedkoop ondersteuningsmateriaal kan gebruiken en een tweede materiaal voor het printen van onderdelen, zou het SLS-proces veel duurzamer kunnen maken. Een bedrijf dat een dergelijke oplossing ontwikkelt, is Aerosint, een Belgische start-up die een multi-powder deposition SLS-technologie heeft ontwikkeld.

De technologie van Aerosint is echter nog niet gecommercialiseerd, dus het zal even duren voordat zien hoe haalbaar het proces van Aerosint is en de gevolgen voor het milieu beoordelen.

Energieverbruik bij 3D-printen 

Elk industrieel proces vereist energie om te draaien, inclusief 3D-printen. Vanuit het oogpunt van duurzaamheid is het energieverbruik direct gecorreleerd met milieuoverwegingen, zoals CO2-emissies.

3D-printen, vooral met metalen, is geenszins een energiezuinige technologie. Sommige onderzoeken tonen echter aan dat het energie-efficiënter kan zijn dan de meeste conventionele productieprocessen.

Een onderzoek, uitgevoerd door de fabrikant van metalen 3D-printers, Digital Alloys, vergeleek het energieverbruik van verschillende 3D-printtechnologieën voor metaal met CNC-bewerking.

In de productiefase is het energieverbruik inderdaad groter bij 3D-printprocessen van metaal, met name laser-PBF.

Als we echter rekening houden met verschillende factoren, zoals materiaalverspilling, de mogelijkheid van materiaalrecycling en nabewerking, is aangetoond dat machinale bewerking het meest energieverslindende proces is, vanwege de hoeveelheid materiaalafval  – (in het voorbeeld van Digital Alloys was dit meer dan 90 procent).

Dat gezegd hebbende, niet iedereen is het erover eens dat 3D-printen met metaal energiezuiniger is dan traditionele technologieën.

Timothy Gutowski, hoofd van de onderzoeksgroep Environmentally Benign Manufacturing (EBM) van MIT, stelt dat 'additieve processen doorgaans energie-intensiever zijn... omdat ze langzamer zijn. Ze gebruiken veel energie om dezelfde hoeveelheid product te produceren.

In feite zijn de meeste 3D-printprocessen ongeveer zeven ordes van grootte meer energie-intensief dan conventionele productieprocessen met een hoog volume', legt hij uit in een interview met The Fabricator.

De waarheid ligt, zoals altijd, ergens tussenin. Hoewel 3D-printen energie-intensief kan zijn, zal het kiezen van de toepassing die geschikt is voor de technologie en het optimaliseren van het ontwerp helpen om het hoge energieverbruik te compenseren. Het zal ook resulteren in een algeheel energiezuinig systeem, waar dit onderdeel zal worden gebruikt.

Op weg naar duurzaamheid 

Met zoveel AM-technologieën die er zijn, is er geen eenvoudig antwoord op de vraag naar de duurzaamheid van 3D-printen. Sommige processen hebben het nadeel van niet-recyclebare materialen, terwijl andere worden geplaagd door een hoog energieverbruik.

Wat echter bemoedigend is, is het feit dat 3D-printen doorgaans meer hulpbronnen bespaart, vooral in vergelijking met subtractieve technologieën. En het opent ook de deur voor efficiëntere ontwerpen die bijdragen aan het verlagen van de productie- en voorraadvereisten en uiteindelijk helpen om het brandstofverbruik te verminderen.

Ons oordeel is dat 3D-printen niet helemaal 'groene' technologie is, maar met de juiste aanpak dichterbij kan komen om een ​​ongelooflijk krachtige duurzame productie-oplossing te worden.