امروزه استفاده از مواد پلیمری در همه جا به ویژه صنعت جای خود را باز کرده است. اخیرا به دلیل استفاده زیاد از آن ها جهان را با مشکلات زباله های پلاستیکی روبرو کرده است، تا حدی که این دسته از زباله ها به زباله های مضر و ماندگار تبدیل شده اند.

اما امکان مجدد از مواد پلیمری و زباله ها به آنها ارزش و عمری دوباره می دهد و امکان ساخت مواد مصرفی را به وجود می آورد.
 

از سویی دیگر بازار چاپ سه بعدی نیز رو به رشد است و فیلامنت ها را می توان از انواع مواد ترموپلاستیک مانند مواد بازیافتی تولید کرد. در اینجا قصد داریم در مورد تولید فیلامنت برای چاپگرهای سه بعدی از پلیمرهای بازیافتی صحبت کنیم:

مفهوم اقتصاد دایره ای پاسخی به مشکلات زیست محیطی و اجتماعی است. رشد جمعیت، آلودگی محیط زیست کنترل نشده ایجاد کرده است و برای حل این مسئله نیاز به مطرح کردن یک سیستم کاهش، استفاده مجدد و بازیافت است. این سیستم  شامل بازیابی، طراحی مجدد و بازسازی می باشد.

 

اقتصاد دایره ای در دسامبر 2015 در اروپا تنظیم شد. بسته CE شامل 5 مورد است: پلاستیک، زباله های ناشی از تخریب و ساخت و ساز، مواد خام حیاتی، محصولات زیستی و زباله های غذایی.

این طرح برای اهداف خاصی و به عنوان یک سیستم ترمیمی و احیاکننده، امکان کاهش استفاده از منابع طبیعی و به حداقل رساندن آلودگی های محیط زیستی و بازیابی مواد و انرژی ایجاد شده است و تا سال 2030 امکان بازیافت زباله های شهری تا 65 درصد، بازیافت زباله های بسته بندی تا 75 درصد و کاهش دفن زباله تا 10 درصد را فراهم می کند.

می توان گفت بازیافت به عنوان مهمترین گزینه برای مدیریت زباله و استفاده مجدد از مواد، برای تولید محصولات جدید تلقی می شود. این روش ها تولید زباله را کاهش می دهد و پلاستیک یکی از جدی ترین زباله های زیست محیطی محسوب می شود.

با توجه به پتانسیل بازیافت محققان تصمیم گرفتند تا از مواد پلیمری برای استفاده مجدد در چاپ سه بعدی استفاده کنند.

چیزی حدود 100 سال پیش پلاستیک در زندگی انسان ها ظاهر شد و موادی با خواص و کاربردهای مختلف هستند که در هر جایی مانند خانه، محل کار، مسافرت، پیک نیک و... از آن استفاده می شود.

مزیت غیرقابل انکار پلاستیک ها مقاومت مکانیکی بالا، چگالی کم، پردازش آسان و کم هزینه و وزن کم آن هاست. به دلیل ویژگی های پلاستیک از آن در تولید بسته بندی، برق، خودروسازی، حمل و نقل و ساخت و ساز، پزشکی، کشاورزی و ... استفاده می شود.

تولید جهانی پلاستیک در سال  2018 چیزی حدود 359 میلیون تن بوده است و بر طبق پیش بینی های انجام شده این مقدار تا 20 سال آینده به دو برابر می رسد.

در بسیاری از کشورها زباله ها دفن می شوند و به چرخه بازیافت وارد نمی شوند. در اتحادیه اروپا که قانون اقتصاد دایره ای اجرا شده است، 75.1 درصد از زباله ها پردازش می شوند و 24.9 درصد آن ها هنوز دفن می شوند.

برای مدیریت و بازیافت پلاستیک روش های زیادی وجود دارد. از جمله این روش ها می توان به بازیافت اولیه یا اکستروژن مجدد، بازیافت مکانیکی، استفاده مجدد با مواد شیمیایی یا روش های حرارتی تولید انرژی مانند احتراق، تجزیه در اثر حرارت و تبدیل گاز اشاره کرد.

بازیافت اولیه امکان بازیابی بقایای پلیمری آلوده نشده با پارامترهای مربوط به ماده اولیه را فراهم می کند و بازیافت ثانویه علاوه بر این از موادی که ممکن است حاوی آلودگی باشد، استفاده می کند. این ناخالصی ها در هنگام تبدیل بعد از خرد شدن اولیه، حذف می شوند. این مواد به صورت متوالی آسیاب و دانه بندی می شوند و به یک ورودی برای پردازش پلاستیک وارد می شوند و معمولا هم نسبت به بازیافت اولیه کیفیت پایین تری دارند.

بازیافت شیمیایی شامل یک سری فرایندهای شیمیایی که معمولا فرایندهای پلیمریزاسیون هستند، می باشد که پلاستیک ها را به ترکیبات قابل استفاده تبدیل می کند.

معمولا روش های بازیابی انرژی از مواد پلیمری کم سودترین و پرمحتواترین گزینه برای محیط زیست می باشد. آن ها منابع انرژی بسیار کارآمد و با ارزش حرارتی هستند. در کنار عملیات بازیافت، نظارت مداوم بر انتشارات ناشی از این فرایند ضروری است، زیرا ممکن است آلاینده های آلی زیادی مانند دیوکسین ها تولید کنند.

به طور کلی پلاستیک ها نمی توانند توسط میکروارگانیسم ها تجزیه شوند، اما مواد زیست تخریب پذیری طراحی می شوند که تحت تاثیر محیط تجزیه می شوند. این مواد مانند انواع پلی استرها، پلی لاکتید (PLA)، PCL و ... است که در تولید فیلامنت چاپ سه بعدی استفاده می شوند.

خطرات زیست محیطی که در اثر حرارت پلاستیک ها و پلیمرهای تجدیدناپذیر ایجاد می شود، آنها را مجبور به پردازش می کند و گاهی اوقات دفن زباله یک راه حل موقت برای این کار است. بهترین استراتژی برای مدیریت پسماند، جلوگیری از تولید آنهاست. اما عوامل زیادی مانند راحتی در استفاده، سبک بودن آن ها و اینکه در بخش بسته بندی نیز هزینه کمتری نسبت به بسته بندی های شیشه ای و فلزی دارند، شاهد فراوان بودن آن ها در همه بخش ها هستیم.

همانگونه که می دانید چاپ سه به بعدی به سرعت در حال رشد است و فناوری است که در چند سال اخیر بسیار محبوبیت پیدا کرده است. شاید یکی از دلایل محبوب بودن آن سادگی و کم هزینه بودن این فناوری است و در نمونه سازی و و بخش های مختلف صنعت بسیار رایج است.

ترموپلاستیک ها اولین فیلامنت های مورد استفاده در چاپ سه بعدی است که محبوب ترین آن ها ABS، PLA، PC، انواع مختلف PE مانند LDPE و HDPE و LLDPE، PEEK هستند. از این مواد معمولا برای پرینت اجزای خودرو، ابزار جراحی، نمونه های اولیه، معماری های خاص، انواع اسباب بازی، بسته بندی های جذاب و محصولات روزمره استفاده می شود.

اما با اینکه چاپ سه بعدی مزایای زیادی دارد، زباله های زیادی تولید می کند که ممکن است نتیجه پرینت اشتباه یا ساختارهای رد شده و ناقص باشد. از سویی دیگر نیز ایجاد قطعات بدون ماشینکاری یا ابزار باعث می شود تا این گونه پرینت ها به عنوان نمونه های اولیه و یک بار مصرف استفاده شوند. در این صورت با افزایش تعداد چاپ بحث مدیریت زباله پیش می آید. شاید راه حل این موضوع رشته هایی که با مواد بازیافت ساخته می شوند، باشد.

به طور کلی فیلامنت های مورد استفاده در پرینت سه بعدی معمولا در فرایند اکستروژن و با وارد کردن پودر گرانول یا پلیمر در اکسترودر تشکیل می شوند و تحت تاثیر دما به ماده ای همگن تبدیل می شود.

خواص مکانیکی فیلامنت ها تاثیر بسزایی در کیفیت چاپ دارند و مقایسه این ویژگی در مورد فیلامنت بازیافتی و نوع اصلی آن می تواند کمک شایانی به توسعه بیشتر فناوری چاپ سه بعدی و تولید فیلامنت بازیافتی بکند.

اخیرا در سراسر جهان تولید کالا مبتنی بر پلاستیک به طور قابل توجهی افزایش یافته است. بر اساس گزارش PEMRG تولید جهانی پلاستیک در سال 2019 چیزی حدود 359 میلیون تن بوده است که 51 درصد آن مربوط به کشورهای آسیایی و 17 درصد ان در اروپا بوده است. هر سال حدود 4 درصد از تولید نفت جهان که 1.3 میلیارد بشکه در سال است برای تولید پلاستیک استفاده می شود. پلیمرهایی که برای تولید پلاستیک استفاده می شوند صدها سال باقی می مانند و به همین دلیل است که آلودگی زیست محیطی که با این نوع زباله ها مرتبط است، یک مشکل کاملا جدی است.

اما آمارها نشان می دهند که 90 درصد از پلاستیک ها را می توان دوباره استفاده کرد. ولی متاسفانه 80 درصد از زباله های پلاستیکی دفن می شوند و درصد کمی از آن ها بازیافت می شوند.

می توان گفت مهمترین مشکل با پلاستیک های ساخته شده با PP، LDPE، HDPE و PVC است که اکثر تولیدکنندگان از آن استفاده می کنند و دفن می شوند و منجر به ایجاد گازهای گلخانه ای می شوند. اما در مقابل پلاستیک های ساخته شده با PLA منشاء طبیعی دارند و تاثیر زیادی بر محیط زیست ندارند، ولی از نظر مقاومت مکانیکی ضعیف هستند و باعث می شوند تا تولید کنندگان استقبال زیادی از آن نداشته باشند.

یکی از دلایلی که برای استفاده مجدد از مواد محدودیت ایجاد می کند، از دست رفتن خواص مواد بعد از چند بار بازیافت است و این قضیه ممکن است بر سلامت انسان ها تاثیر منفی گذارد.

اما آمارها نشان می دهد که زباله های چاپ سه بعدی زیاد جدی نیست و امیدواریم از خود این فناوری بتوان کمک گرفت و با زباله های بعد از تولید مبارزه کرد. بازیافت مواد پلیمری برای پرینت سه بعدی بر طبق تعدادی از فعالیت ها مانند آلودگی زدایی و خالص سازی، آسیاب، اکستروژن، ذوب مجدد و جداسازی مواد می باشد. اما از نظر اقتصادی بازیافت مواد هیچ سودی ندارد و هزینه محصول بازیافتی به قیمت فیلامنت اولیه تولید شده بستگی دارد، ولی بازهم علی رغم عدم سوددهی اقتصادی، این روش یک راه حل بالقوه است.

می توان گفت 7 گروه پلاستیک در حال حاضر در سراسر جهان بازیافت می شوند که شامل، PP، PVC، LDPE، HDPE، PS ، PET و ABS می شوند. تحقیقات زیادی برای این کار انجام شد و بر اساس تحقیقات موجود یک طرح کلی از بازیافت زباله های چاپ سه بعدی ارائه شد که در تصویر زیر مشاهده می کنید:

 

همانگونه که مشاهده می کنید ابتدا مواد جدا می شوند، شسته می شوند و بعد از آن آسیاب می شوند. بعد از آن مواد آسیاب شده در دمای بسیار بالا اکسترود می شوند و میزان این دما به نوع پلیمر بستگی دارد. سپس فیلامنت آماده شده به چاپگر سه بعدی وارد می شود و قطعه ای که چاپ می شود برای بررسی خواص مکانیکی و ساختاری آنالیز می شود.

نمونه ای که آزمایش شد دوباره آسیاب می شود و اگر لازم باشد مواد اصلاح می شود. در این مرحله یک چسب مانند روغن سیلیکون به مواد اضافه می شود و دوباره اکسترود می شود. سپس یک حلال آنی با یک جزء تقویت کننده به مواد اضافه می شود، حلال تبخیر می شود و دوباره مواد اکسترود می شوند.