Je 3D tisk ekologický a udržitelný?

Vznik 3D tisku datujeme do druhé poloviny 20. století, kdy se ještě natolik nepřebírala environmentální stránka každé technologie. Od té doby 3D tisk nejen pokročil ve vývoji, ale dostal se do masivnějšího uživatelského povědomí. Stala se populárnější, cenově dostupnější a v neposlední řadě více kritizovaná a sledovaná ve směru k životnímu prostředí.

Posledních 10 let vývoj 3D tisku výrazně pokračuje a domácí uživatelé si tisknou běžné předměty, jako jsou figurky, drobnosti nebo náhradní součástky. V odborných oblastech se studie posunuly ke konceptům tisku orgánů z buněk. Průmysl těží z 3D tisku částí zařízení a stavební sektor dokonce z 3D tisku celého domu. Otázka, která stále více v souvislosti s 3D tiskem zaznívá je, jaké jsou environmentální důsledky této nové technologie tisku?

3D tisk

3D tisk je v podstatě více, než tisk nebo určitý druh výroby. Výrobní procesy spadají do dvou hlavních kategorií: aditivní a subtraktivní. 3D tisk je aditivní výrobní proces, zatímco typická výroba je subtraktivní.

Abyste tomu porozuměli, tak při aditivní výrobě se produkty tvoří ukládáním po sobě následujících vrstev daného materiálu, čímž vzniká kompletní objekt, kde každá vrstva je tenkým průřezem objektu. Vrstvy se tisknou pomocí depozice po vrstvách přímo z modelu „počítačem podporovaného designu“ (CAD), což umožňuje tvořit fyzické objekty počítačem vygenerované geometrické reprezentace.

3D tisk se stal komerčním v 80. letech, kdy Charles Hull požádal o svůj patent „Zařízení na výrobu trojrozměrných předmětů stereolitografií“. Dnes se technologie 3D tisku využívá, k výrobě šperků, motorů, mostů, součástek v leteckém průmyslu, potravinářském průmyslu a dokonce se používá v medicíně k výrobě umělých srdečních pump a umělých rohovek. Nejobvyklejšími materiály pro 3D tisk jsou termoplasty, keramika, materiály na bázi grafenu a kov. Právě v tomto bodě se dostáváme k životnímu prostředí ak tomu, že 3D tisk může způsobit určité environmentální problémy.

Nejprve se podívejme na to průběh 3D tisku. Je několik způsobů, jak se 3D tisk provádí. Vše souvisí s tím, jak se materiál vrství k vytvoření konečného objektu. Materiál se zahřívá, dokud není tekutý a poté je nanesen přes tiskovou trysku. Pomocí dat z CAD se design „rozdělí“ na 2D části, takže tryska ví, kam má materiál směřovat a umisťuje materiál do tenkých vrstev. Jakmile vrstva ztuhne, proces se opakuje, dokud nevznikne konečný objekt. V závislosti na velikosti a složitosti objektu se doba může pohybovat od několika minut po hodiny až dny. 

zdroj: canva

3D tisk a životní prostředí

Na jedné straně je 3D tisk vynikající způsob vytváření produktů pro různá odvětví, ale na druhé straně některé aspekty procesu 3D tisku způsobují vysokou spotřebu energie a mohou způsobit škodlivé emise. Pár faktorů výrobního procesu může mít vliv na životní prostředí, jako čas potřebný pro tisk objektu nebo typ použitého materiálu.

Spotřeba energie během tisku

Pokud je zapotřebí dlouhou dobu tisku zvyšuje se množství spotřebované energie. Právě kvalitnější výtisky potřebují delší dobu. Tím vzniká velký kompromis mezi spotřebovanou energií a kvalitou produktu.

Spotřebu energie lze v rámci procesu tisku definovat ve třech fázích

- fáze předehřívání, ve které se stroj připravuje k tisku

- vlastně tisk objektu

- proces chlazení

Možným řešením objemu energie spotřebované v procesu tisku spočívá v použitých materiálech. Používání nízkoteplotních materiálů může snížit spotřebu energie, stejně jako používání zařízení, která dokáží tisknout více komponent současně. 

Emise

Když uvažujeme o environmentálních problémech, tím největším je vždy znečištění. I když nám tisk na první pohled nepřijde jako něco, co dokáže způsobit velké znečištění, opak je pravdou. Průmyslové znečištění vzniká většinou při výrobě a 19 % světových emisí skleníkových plynů souvisí s průmyslovými výrobními procesy. 3D tisk produkuje to, co označujeme jako těkavé organické sloučeniny nebo VOC. Existuje několik parametrů, které mohou ovlivnit emisi VOC a to použití materiálu, teplota strojního zařízení, barva vlákna, množství tepla použitého na konstrukční desku a model tiskárny.

Emise VOC souvisí s tepelnou degradací polymerů a dalších přísad. V případě 3D tiskáren je mnoho modelů založených na vytlačování vyhřívaného termoplastu, které může být nebezpečné pro vnitřní prostředí v důsledku produkovaných VOC. Spolu s VOC může 3D tisk emitovat další částice, plynný materiál a některé nanočástice, které mohou představovat možná zdravotní rizika. 

(NE)Udržitelnost

Bohužel, materiály potřebné pro 3D tisk jsou ve své podstatě neudržitelné. Získání nového plastu vyžaduje výrobu ropných produktů, jakož i vysokou uhlíkovou intenzitu, aby se skutečně vyrobil samotný plast. Řešením je, že 3D tisk by mohl využívat recyklované materiály nebo jiné materiály než plast, jako je kov, což by přispělo k udržitelnosti. 

Existují ekologické a udržitelné výhody 3D tisku?

Přesto 3D tisk přináší i několik výhod pro životní prostředí a udržitelnost. 3D tisk a jiná aditivní výroba je stále ve stádiu vývoje. Právě vývoj a inovace způsobují významné změny ve výrobních nákladech a výrobních časech, což vede k vyšší účinnosti a nižším vlivům na životní prostředí v porovnání se standardními výrobními procesy. 

Recyklace jedna z cest

Globální odpad je na vysoké úrovni. Proto by 3D tisk mohl nabídnout řešení pomocí recyklovaných materiálů pro tvorbu produktů. Až 95 % materiálu, který se použije při 3D tisku může pocházet z recyklovaných materiálů. Když plast roztaje, jeho chemické vazby se oslabí, takže do recyklovaného materiálu je třeba přidat kousky nového plastu, aby se zajistil pevný konečný produkt. Řešením by mohly být recyklované materiály spolu s biopolymery. Polymery na biologické bázi potřebují nižší teplotu, která může snížit množství energie spotřebované během tisku. 

Energie a účinnost

3D tisk může zvýšit efektivitu výrobního procesu, jakož i čas a energii, kterou vyžaduje, aby se produkty dostaly na místo určení. Při použití polymerů na biologické bázi k vytváření produktů jsou polymery ze zdrojů biologicky odbouratelné a netoxické. Takže materiál může být připraven lokálně, čímž se sníží objem a náklady na potřebnou energii. 3D tiskárny pro malé produkty umístěte i do kanceláře, což umožní, aby se díly, prototypy a produkty vyráběly lokálně a nevyžadovaly přepravu. Tak se sníží dopady na životní prostředí ze standardních způsobů nákladní dopravy. Dalším faktorem je 3D tisk malých sérií namísto standardních metod, které hromadně vyrábějí a vyžadují sklady produktů, které také spotřebují na chod energii. 

Ekologické alternativy

Alternativní materiály pro 3D tisk jsou vzácné, i když existuje sice možnost tisknout pomocí rostlinných materiálů. Běžný „ekologický“ materiál používaný na jednorázové předměty, jako jsou brčka, se stává volbou i pro 3D tiskárny. Plasty mohou být vyrobeny z řas, což by mohlo vyřešit část problému znečištění plasty. Z řas lze vyrobit bioplast, což je plast vyroben buď částečně nebo úplně z biomasy nebo obnovitelných zdrojů, nejčastěji potravinářských plodin. Zajímavé jsou pro stejnou funkčnost jako běžné plastové materiály na ropné bázi.

Mikrořasy dokážou růst na organickém odpadu az nich dělá dobrého kandidáta, jako zdroj biomasy. Pokud vidíme, že jich máme mnoho, mohli bychom toho využít, protože mikrořasy požírají odpadní materiály a přeměňují je na stavební materiály. To zároveň poskytuje materiály pro výrobu a snižuje uhlík v atmosféře, protože řasy pro růst využívají CO2.

Pokud se při 3D tisku zváží efektivnost a používání recyklovaných materiálů, může mít 3D tisk několik pozitivních vlivů na životní prostředí. V některých případech to může být snížení emisí uhlíku, poskytování nových technologií pro sledování životního prostředí, jakož i poskytování materiálů pro alternativní zdroje energie.

Jak na emise uhlíku

Snížené emise uhlíku jsou způsobeny schopností 3D tisku vyrábět s vyšší úrovní účinnosti ve výrobním a hlavně dopravním procesu. Všechny produkty mohou být vyrobeny z digitálních souborů, místo toho, abyste se spoléhali na přepravu.

Nové technologie pro monitorování životního prostředí

3D tisk může přispět díly na přístroje používané ke sledování kvality ovzduší. Další přínos je patrný ve 3D tisku k vytvoření filtrů a praček k odstranění znečištění způsobeného průmyslem. 

Alternativní zdroje energie

Dalším sektorem pro aplikovatelnost 3D tisku je obnovitelná energie. Části palivových článků, větrných turbín a solárních článků byly testovány pomocí 3D tištěných komponentů. 3D tisk vytvořil trojrozměrné fotovoltaické články a bylo prokázáno, že získávají vyšší hustotu energie než standardní ploché, stacionární solární panely. Větrné turbíny mají 3D tištěné lopatky ve tvaru listů rostlin, které snížily namáhání lopatek větrem, a jedinečná geometrie byla realizovatelná díky procesu 3D tisku. 3D tisk nabízí výhody v rychlosti, nákladech a schopnosti vytvářet malé složité tvary a návrhy, které lze použít pro různé účely včetně výroby energie.

V současnosti je stav takový, že výrobní odvětví a rovněž i 3D tisk mají velké rezervy v ekologii. 3D technologie využívá větší množství energie, jako frézy, soustruhy a vrtačky. V konečném důsledku se to projevuje tak, že výroba předmětu se stejnou hmotností spotřebuje při 3D tisku 50 až 100krát více elektrické energie, než standardní stroje. To znamená i více emisí. Dále je zde velká závislost na plastových materiálech a plasty nejsou ekologickým materiálem. Průmyslové 3D tiskárny produkují velké množství plastových vedlejších produktů, které zanechávají a nelze je znovu plnohodnotně použít. K tomu můžeme připočítat ještě výpary ze sekundárního tisku ze zahřátého plastu, což jsou toxické vedlejší produkty. 3D tisk má řadu přínosů a dokáže nabídnout krátkodobá udržitelná řešení, ale v environmentálním směru má stále co dohánět v oblasti snížení dopadu na životní prostředí. Inovacemi v oblasti využívání obnovitelných zdrojů energie, eliminací odpadu a materiály, které budou šetrnější k životnímu odpadu může časem dosáhnout lepší až úplné udržitelnosti.