Экология в 3D-печати

Статьи · 30 ноября 2022

3D-печать часто относят к «зелёным технологиям», способным сохранить окружающую среду и спасти нашу планету от загрязнения. Всё из-за низкого количества отходов по сравнению с другими методами производства металлических или пластиковых изделий. Однако, это не единственный показатель экологичности, необходимо учитывать и другие факторы, например, потребление электроэнергии при работе оборудования. В статье рассказываем о том, действительно ли 3D-печать не наносит вреда природе и оставляет низкий углеродный след.

1.Потребление энергии

3D-печать, или по-другому — аддитивные технологии, позволяют изготавливать детали из целого спектра материалов. Самые популярные из них – пластики (филаменты) и металлы. Приобрести принтер, производящий пластмассовые изделия, может позволить себе практически каждый человек – такие аддитивные установки просты в использовании и доступны по цене. С 3D-печатью металлами всё намного сложнее: здесь принтеры довольно громоздки, а их ценовой диапазон варьируется в районе нескольких миллионов рублей. Так как печать изделия – непрерывный процесс и может занимать от нескольких часов до нескольких дней при постоянной работе оборудования, встает вопрос о его энергопотреблении. Большая часть энергии, используемой 3D-принтером, зависит от его размера, температуры нагревания сопла или лазера, а также платформы построения.

Несмотря на то, что принципы работы у аддитивных установок по пластику и по металлу схожи, расходуют энергию они по-разному. Те, что работают с пластиком, гораздо экономичнее, здесь энергопотребление некоторых моделей колеблется от 0,07 кВтч до 0,24 кВтч. Для сравнения, типичный настольный компьютер потребляет в 4 раза больше энергии — около 1,05 кВтч. Расход металлического 3D-принтера в среднем составляет 45 кВт. Это больше, чем у принтеров, работающих с полимерными материалами, но всё ещё меньше, чем у большинства ламп накаливания, где мощность составляет 60 и 100 кВт. Однако, исследователи из университета Лафборо в Соединенном Королевстве в рамках проекта Аткинс сравнили промышленные принтеры с машинами для литья под давлением. При изготовлении объекта одного размера и веса, оказалось, что 3D-принтеры потребляют в 50-100 раз больше электроэнергии, чем машины, применяемые при классическом производстве.

2. Вред для человеческого организма

3D-печать может быть вредна не только для окружающей среды, но и для организма человека. Опасность кроется не в самом принтере, а в материале, из которого изготавливается предмет. Самые распространенные вещества для печати филаментами — ABS-пластик (акрилонитрилбутадиенстирол) и PLA-пластик (полилактид). Последний считается биоразлагаемым, так как сырьем для его производства служат кукуруза и сахарный тростник. С ABS-пластиком далеко не всё так радужно, он состоит из трёх веществ: акрилонитрила, бутадиена и стирола, именно на них он распадается при нагревании до 400ºС. Все три элемента при попадании в лёгкие в больших концентрациях оказывают токсическое и раздражающее действие на организм, вызывают острые головные боли, нарушения работы печени, почек, кровеносной системы и онкологические заболевания в будущем. Во время печати полилактидом в воздух выбрасывается больше 20 миллиардов невидимых микрочастиц в минуту, а при работе с ABC-пластиком – около 200 миллиардов. Этот уровень загрязнений сопоставим с выбросами во время сжигания природного газа, горения свечи или курения табака.

3D-печать металлом не менее опасна для человека, чем печать пластиком. Разница лишь в том, что металлический порошок, используемый для печати, не надо нагревать, чтобы он смог оказать пагубное воздействие на человеческий организм. Этот материал состоит из сферических гранул величиной от 0,1 до 63 микрон в зависимости от того, из какого сплава или металла он сделан.

Микрон – единица измерения, равная одной миллионной части метра. То есть, частицы настолько малы, что попасть в легкие человека при вдыхании для них не составляет особого труда. В связи с этим, работу с порошком необходимо проводить, соблюдая все правила по охране труда и только в защитных масках.

3. Меньше отходов

Минусы аддитивного производства с точки зрения экологии мы уже обсудили, теперь поговорим и о плюсах. Классический способ изготовления металлических изделий с помощью литья, ковки, штамповки, токарной или фрезерной обработки имеет довольно высокий коэффициент использования материала (КИМ). Для его подсчета количество материала в готовом изделии делят на общее количество материала, используемого для изготовления изделия. При традиционном производстве используется оснастка, а от заготовки может отсекаться до 98% отходов.
Несмотря на то, что в 3D-принтере металлическое изделие печатается слой за слоем, и при печати используется весь порошок без излишка, 3D-печать не является абсолютно безотходным производством. Отходами будут технологические поддержки, они “выращиваются” вместе с изделием и отводят тепло во время печати, но после изготовления предмета полностью срезаются. Металлическая деталь также проходит постобработку на фрезерных, токарных, электрохимических и шлифовальных станках. Этот процесс тоже оставляет после себя некоторое количество отходов, хоть и гораздо меньше, чем при традиционном способе изготовления

4. Экономия ресурсов

Аддитивные технологии способны уменьшить вес детали при сохранении всех её полезных свойств и характеристик. Именно поэтому, 3D-печать так актуальна для авиастроения. А чем уменьшение веса самолета может быть полезно для экологии?

По данным отчета ассоциации Green Trade «О воздействии металлического аддитивного производства на окружающую среду» снижение массы самолета на один килограмм может сэкономить от 134 до 200 гигаджоулей энергии топлива в течение 30-летнего срока службы коммерческого самолета. Основываясь на изученной литературе, исследование показало, что замена от 9% до 17% массы самолетов в целом легкими деталями, изготовленными с помощью аддитивных технологий из алюминиевых, никелевых, титановых и стальных сплавов, может обеспечить совокупную экономию выбросов от 92 до 215 миллионов метрических тонн углекислого газа к 2050 году из-за сокращения топлива на 6,4%.

5. Ремонт

С помощью 3D-печати можно создавать запчасти практически для чего угодно, включая мебель, автомобили и промышленное оборудование, это помогает продлить срок службы этих предметов. Гипотетическая ситуация: в станке сломалась одна единственная деталь, но завод-изготовитель этого оборудования давно закрылся, а аналог может предоставить только не вызывающая доверия компания из Китая. Выход из такого положения кроется в применении аддитивных технологий – при наличии сломавшейся оригинальной детали специалисты смогут произвести её реверс-инжиниринг и сделать аналог не более, чем за месяц. Такая практика продлит срок службы продукта и сократит количество отходов оборудования.

3D-печать часто относят к «зелёным технологиям», способным сохранить окружающую среду и спасти нашу планету от загрязнения. Всё из-за низкого количества отходов по сравнению с другими методами производства металлических или пластиковых изделий. Однако, это не единственный показатель экологичности, необходимо учитывать и другие факторы, например, потребление электроэнергии при работе оборудования. В статье рассказываем о том, действительно ли 3D-печать не наносит вреда природе и оставляет низкий углеродный след.

1.Потребление энергии

3D-печать, или по-другому — аддитивные технологии, позволяют изготавливать детали из целого спектра материалов. Самые популярные из них – пластики (филаменты) и металлы. Приобрести принтер, производящий пластмассовые изделия, может позволить себе практически каждый человек – такие аддитивные установки просты в использовании и доступны по цене. С 3D-печатью металлами всё намного сложнее: здесь принтеры довольно громоздки, а их ценовой диапазон варьируется в районе нескольких миллионов рублей. Так как печать изделия – непрерывный процесс и может занимать от нескольких часов до нескольких дней при постоянной работе оборудования, встает вопрос о его энергопотреблении. Большая часть энергии, используемой 3D-принтером, зависит от его размера, температуры нагревания сопла или лазера, а также платформы построения.

Несмотря на то, что принципы работы у аддитивных установок по пластику и по металлу схожи, расходуют энергию они по-разному. Те, что работают с пластиком, гораздо экономичнее, здесь энергопотребление некоторых моделей колеблется от 0,07 кВтч до 0,24 кВтч. Для сравнения, типичный настольный компьютер потребляет в 4 раза больше энергии — около 1,05 кВтч. Расход металлического 3D-принтера в среднем составляет 45 кВт. Это больше, чем у принтеров, работающих с полимерными материалами, но всё ещё меньше, чем у большинства ламп накаливания, где мощность составляет 60 и 100 кВт. Однако, исследователи из университета Лафборо в Соединенном Королевстве в рамках проекта Аткинс сравнили промышленные принтеры с машинами для литья под давлением. При изготовлении объекта одного размера и веса, оказалось, что 3D-принтеры потребляют в 50-100 раз больше электроэнергии, чем машины, применяемые при классическом производстве.

2. Вред для человеческого организма

3D-печать может быть вредна не только для окружающей среды, но и для организма человека. Опасность кроется не в самом принтере, а в материале, из которого изготавливается предмет. Самые распространенные вещества для печати филаментами — ABS-пластик (акрилонитрилбутадиенстирол) и PLA-пластик (полилактид). Последний считается биоразлагаемым, так как сырьем для его производства служат кукуруза и сахарный тростник. С ABS-пластиком далеко не всё так радужно, он состоит из трёх веществ: акрилонитрила, бутадиена и стирола, именно на них он распадается при нагревании до 400ºС. Все три элемента при попадании в лёгкие в больших концентрациях оказывают токсическое и раздражающее действие на организм, вызывают острые головные боли, нарушения работы печени, почек, кровеносной системы и онкологические заболевания в будущем. Во время печати полилактидом в воздух выбрасывается больше 20 миллиардов невидимых микрочастиц в минуту, а при работе с ABC-пластиком – около 200 миллиардов. Этот уровень загрязнений сопоставим с выбросами во время сжигания природного газа, горения свечи или курения табака.

3D-печать металлом не менее опасна для человека, чем печать пластиком. Разница лишь в том, что металлический порошок, используемый для печати, не надо нагревать, чтобы он смог оказать пагубное воздействие на человеческий организм. Этот материал состоит из сферических гранул величиной от 0,1 до 63 микрон в зависимости от того, из какого сплава или металла он сделан.

Микрон – единица измерения, равная одной миллионной части метра. То есть, частицы настолько малы, что попасть в легкие человека при вдыхании для них не составляет особого труда. В связи с этим, работу с порошком необходимо проводить, соблюдая все правила по охране труда и только в защитных масках.

3. Меньше отходов

Минусы аддитивного производства с точки зрения экологии мы уже обсудили, теперь поговорим и о плюсах. Классический способ изготовления металлических изделий с помощью литья, ковки, штамповки, токарной или фрезерной обработки имеет довольно высокий коэффициент использования материала (КИМ). Для его подсчета количество материала в готовом изделии делят на общее количество материала, используемого для изготовления изделия. При традиционном производстве используется оснастка, а от заготовки может отсекаться до 98% отходов.
Несмотря на то, что в 3D-принтере металлическое изделие печатается слой за слоем, и при печати используется весь порошок без излишка, 3D-печать не является абсолютно безотходным производством. Отходами будут технологические поддержки, они “выращиваются” вместе с изделием и отводят тепло во время печати, но после изготовления предмета полностью срезаются. Металлическая деталь также проходит постобработку на фрезерных, токарных, электрохимических и шлифовальных станках. Этот процесс тоже оставляет после себя некоторое количество отходов, хоть и гораздо меньше, чем при традиционном способе изготовления

4. Экономия ресурсов

Аддитивные технологии способны уменьшить вес детали при сохранении всех её полезных свойств и характеристик. Именно поэтому, 3D-печать так актуальна для авиастроения. А чем уменьшение веса самолета может быть полезно для экологии?

По данным отчета ассоциации Green Trade «О воздействии металлического аддитивного производства на окружающую среду» снижение массы самолета на один килограмм может сэкономить от 134 до 200 гигаджоулей энергии топлива в течение 30-летнего срока службы коммерческого самолета. Основываясь на изученной литературе, исследование показало, что замена от 9% до 17% массы самолетов в целом легкими деталями, изготовленными с помощью аддитивных технологий из алюминиевых, никелевых, титановых и стальных сплавов, может обеспечить совокупную экономию выбросов от 92 до 215 миллионов метрических тонн углекислого газа к 2050 году из-за сокращения топлива на 6,4%.

5. Ремонт

С помощью 3D-печати можно создавать запчасти практически для чего угодно, включая мебель, автомобили и промышленное оборудование, это помогает продлить срок службы этих предметов. Гипотетическая ситуация: в станке сломалась одна единственная деталь, но завод-изготовитель этого оборудования давно закрылся, а аналог может предоставить только не вызывающая доверия компания из Китая. Выход из такого положения кроется в применении аддитивных технологий – при наличии сломавшейся оригинальной детали специалисты смогут произвести её реверс-инжиниринг и сделать аналог не более, чем за месяц. Такая практика продлит срок службы продукта и сократит количество отходов оборудования.

ДРУГИЕ СТАТЬИ

Воображение в научно-исследовательской работе

Воображение в научно-исследовательской работе Статьи · 30 ноября 2022 «Проблема никогда не бывает в детях. Они рождаются учёными. Проблема всегда во взрослых. Они выбивают из детей любопытство.» © Нил Деграсс…

Подробнее

ДРУГИЕ СТАТЬИ