可降解、可回收、植物基——来TCT亚洲展体验3d打印线材支撑的绿色制造 

TCT /[2022]
发布时间: 2022-08-18 16:59
碳中和、碳达峰是近两年最热的关键词。而增材制造也一直被认为是制造业数字化转型的关键技术,其中环保FFF/FDM线材最近两年越来越成为关注的重点。无论是在线材外包装由纸盘替换塑料料盘;还是化工企业推出的可回收、可降解以及生物基材料,环保已经成为众多材料厂商关注的焦点。
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秉承着绿色环保的理念,本月底来现场参观亚洲领先3D打印展会——TCT亚洲展的所有观众都将获得一枚由3D打印线材和设备制作完成的‍胸卡挂钩,挂钩打印材料分别来自:Polymaker(展位号:M56) 的 Polylite PLA;巴斯夫  Forward AM(展位号:M60)的 rPET;eSUN 易生(展位号:H69)的闪光 PLA;万华化学(展位号:H85)的生物基TPU和 Covestro科思创(展位号M65)的r-PC。
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Raise3D携手OFP材料合作伙伴
用环保耗材打印的胸卡挂钩

胸卡挂钩由Raise3D(展位号:N15)的多款3D打印机进行批量生产,特别鸣谢专业打印服务商峻宸集团(展位号:D60)在此次活动的协力帮助。

让我们来提前与各大厂商聊聊绿色线材概念,展会期间又将有哪些新产品与观众们见面?

*感谢Raise3D材料金珉德博士对此次访谈的贡献

金珉德博士
Raise3D
材料负责人

嘉宾介绍:

陈立博士
巴斯夫Forward AM
亚太区业务及运营总监

杨义浒博士
深圳光华伟业
董事长

黄宇立
Polymaker
产品负责人

杨杰博士
万华化学
策略研发经理

1,3D打印线材的环保和回收的课题在欧美地区是否有得到关注?原因在于大众的意识层面,还是有其他原因?
关键词:欧美市场、企业责任、民众、碳指标


陈立:在巴斯夫Forward AM,环保、回收等可持续发展话题是公司愿景的重要支柱。我们为3D打印项目提供最好的材料,同时保护环境、地球和子孙后代。在我们所有的业务线中,无论是粉末床熔融,光聚合物还是我们的线材,都非常注重环保和回收的话题。

其中,Ultrafuse® 系列材料在原材料、包装盒、产品卷轴方面都采用了可持续发展的理念。我们拥有更广泛、更环保的Ultrafuse®线材产品组合,如生物基Ultrafuse® PLA、PLA PRO1、Ultrafuse®TPC 45D和Ultrafuse® rPET可再生PET。

杨义浒:在可持续发展的大背景下, 3D打印线材的环保和回收的课题已经在全球得到关注,原因包括大众的环保消费理念提升,企业将碳减排作为社会责任,禁(限)塑政策在越来越多的国家得到支持。欧美等发达国家和中国、印度、俄罗斯、巴西等新兴市场国家都已经发布了禁(限)塑计划。

黄宇立:欧美国家相对来说更关注这个话题,尤其是在欧洲,有意识层面的,也有制度层面的。例如,欧洲对于包装的可回收性就有较多的相关法案。

杨杰:环保和回收不仅仅是3D打印线材,也是传统材料关注的热点。欧美地区的工业水平较为发达,对环保和回收的关注度更早也更强烈。后工业化的欧美发达国家,舆论和学术都在积极思考工业社会对自然生态环境的干扰,而越来越多的极端气候事件则影响了大众的意识和关注。3D打印作为下一代工业制造技术,理应承接这些变化和思考,这也让3D材料从一开始就有环保和回收的要求。

2,PLA是我们3D打印最常用的3D打印线材,可以在一定的条件下进行降解。对于线材,一般多久可以降解,除了自然环境降解,是否有其他的方式能加速降解或者回收利用的吗?
关键词:回收、快速降解

陈立:PLA(聚乳酸)是3D打印中最常用的材料之一,该材料来源于生物基,理论上是可以被降解的,具体的需要的降解时间会因降解环境以及PLA添加剂配方的不同而有所差异。

杨义浒:PLA作为可降解材料,在自然环境中完全降解不太容易,需要几十以致上百年,当然PLA线材也是一样的。目前加速降解的办法主要还是工业堆肥降解法,在工业堆肥条件下3-6个月PLA可以分解为二氧化碳和水。当然,PLA也可以运用物理回收或化学回收方法进行回收利用。eSun具有PLA化学回收技术,其高值化化学回收技术处于世界领先水平。

黄宇立:基于条件的不同,降解时间区别也会比较大,在堆肥的条件下一般PLA类材料在10几天到几十天的时间尺度内会比较充分得降解。环境中的湿度,温度和微生物情况都会影响降解的速度。

杨杰:PLA本身的结构,可以在堆肥条件下由生物进行降解。加速降解可以通过筛选自然菌种,或者在碱性环境下实现。但是降解是让材料失去原有功能性,更为合适的是循环使用或者降解到Chemicals再次合成得到新的聚合物,实现功能循环或者分子循环。

3,除了PLA, PET和PC也会经常被贴上回收环保的标签。作为材料企业,你觉得3D打印最看好的回收/环保线材是什么?说说你的原因?
关键词:回收PET,回收TPU

陈立:PLA是目前市场上销量最高的生物基材料,符合可持续发展的理念,同时容易打印。然而PET材料的机械性能更高,可满足功能性材料的需求,因此我们巴斯夫推出了一款可回收的Ultrafuse® rPET 材料,在欧美得到了广泛的好评。

为了实现环保和可回收,我们不使用原始的PET原材料,而是利用99-100%回收的废料,通过巴斯夫在材料回收领域的专知,可以确保使用回收材料生产出的rPET线材拥有稳定的高质量,同时减少收集新原材料的需求,以减少碳足迹,节省能源和自然资源。

杨义浒:我个人看好的回收/环保线材还是PLA。因为PLA的生物相容性对人体是安全的,其生物降解性保证对环境是友好的,特别是其可打印性能优异,这些都导致PLA成为使用最广泛的3D打印材料。而且PLA可以物理回收,也可以化学回收,在可持续发展的背景下,优势明显。当然,PC、PET也是不错的3D打印材料,也具有良好的回收前景。

黄宇立:开发含有回收材料的线材,最核心的挑战是“稳定的回收材料来源”。从这个维度看,PET回收材料的供应最为稳定,主要来源于饮料瓶材料的回收。同时PC,PLA,ABS,PP也有一些稳定得回收渠道,是很有潜力的材料类型。

杨杰:我们希望的回收/环保是对环境负担小,高性价比的回收/环保。因此可以实现功能循环的材料是比较好的,例如PC、TPU、PP这类热塑且性能稳定,可以实现功能多次循环的材料。

4,回收材料的在性能和原有的线材会有什么变化,回收的PLA材料还有没有原有的抗翘曲,回收材料的层间结合力是否会有变化?
关键词:力学性能、打印难度

陈立:一般而言会接近原有材料,不会因为回收原因造成性能的巨大差异。例如,巴斯夫的Ultrafuse® rPET相比传统的PET, 更加易于打印,拥有出色的打印效果以及机械性能,可用于如消费品,汽车,夹具和夹具,原型设计以及与食品直接接触的应用。

杨义浒:回收材料的性能相比原有的线材在打印稳定性方面有一些变差,回收材料中分子量分布会大一些,打印拉丝、架桥等一般会差一些。当然我们可以通过对回收材料进行改性来改善其性能,比如力学性能上可以通过改性做到接近,甚至会更好一些,层间结合力也会有一些变化等。但是技术上可行,不一定经济上可行,需要综合考量。

黄宇立:回收材料并不能简单得直接挤出成为线材,会需要通过配方设计才能成为适用于3D打印的材料。而经过合理配方设计的含回收材料的3D打印材料,并不会表现出显著得性能劣势。

杨杰:首先变化是颜色,因为我们的线材越来约多彩,回收时这些颜色是很难分类筛选,往往会放在一起回收,这些不可控的色彩会带来不一样的效果,也许是一种惊喜;其次是流变性能的变化,这个会直接影响再次挤出线材的稳定性和打印的稳定性;再次是基础物性的变化,回收会经历再次热塑加工,聚合物都会有所降解,降解改变了分子量及分布,这些会降低力学、成型、结晶等性能,从而表观看起来抗翘曲、层间结合力会有变化。

对于较为稳定的聚合物,这些影响较小,比如万华推出的TPU、PP打印材料,都具有稳定的热性能,我们的数据单次循环TPU分子量降低<2%。

5,回收材料制作3D打印线材的最大的难点是什么?供应链还是其他因素?
关键词:成本、供应链、价格


陈立:回收料来源的稳定性以及专业的生产工艺,以保证成品质量稳定性。价格略高这个问题确认存在,需要客户有一定的环保意识,愿意为了可回收付出更高的成本。

杨义浒:我认为回收材料制作3D打印线材的最大的难点是成本,回收材料性能难以稳定,需要投入更大的人力和财力去做配方优化,同时由于性能稳定较差,工艺控制也比较难以稳定,会直接导致生产成本的剧增,又因为使用的是回收料,产品的性能与新料相比还会差一些,价格相对就会低廉,直接导致企业的利润明显降低。

黄宇立:目前使用回收材料制作3D打印线材的最大的挑战在于获得稳定得回收原料,稳定指供应稳定和性能稳定。

杨杰:首先是回收的供应链,3D打印作为去中心化的生产方式,如何收集、分类回收材料在当前具有挑战;其次是回收材料的稳定流变性能往往由于回收的分类不完善,会给后续加工带来很大挑战;成本也是需要考虑的因素,现在的回收量太少。

6,如何看生物基材料?性能是和普通材料有显著区别,是否在有些运用场景是有独特优势的?
关键词:原理、特性、回收

陈立:更多的使用生物基材料可以帮助减少聚合物生产对气候的影响,使其更具可持续性。比如,海洋生态与人类活动密切相关,巴斯夫Forward AM与法国YUYO公司共同研发了一款环保的冲浪板,使用取材于可回收医疗器械的Ultrafuse rPET材料,为客户按需定制生产,减少了医疗塑料浪费的同时也减轻了冲浪板对环境的影响。

杨义浒:生物基材料由于其来源于生物质,具有固碳减碳的环保价值,是一个比较有前景的材料,也是未来的一个发展方向。虽然性能相比普通才有一定的差距,但可以用其所长。如eSun生物基3D打印光固化树脂由于气味低、安全性好而收到欧美客户欢迎。目前有一些用咖啡渣、木粉等与高分子材料共混改性的3D打印材料,打印的制品不仅很好的木质效果,同时还带有独特的咖啡或者木质香味。

黄宇立:生物基是材料领域重要的发展方向,其性能和现有主流材料(石油基)并没有本质的区别。或者换句话说,对于某一种材料,它是通过生物原料合成或者是通过石化原料合成,并不是决定其性能的核心因素,决定性因素是材料的微观的化学结构和凝聚态结构。从可持续的角度来说,生物基材料尤其独特的优势。

杨杰:生物基相对于石油基,它并不一定意味着更好的性能(少数特殊C链结构除外),更多只是和石油基材料相似材料性能,它的意义更多是在于政策引导下的减少碳足迹,提高C的自然循环率。特殊的C链结构(比如奇数C链),生物基路线会更容易生产,而奇数C链会带来聚合物,比如TPU更好的加工性能。

近两年3D打印的材料开发与迭代速度超过过去5年,您可以通过2022 TCT亚洲展的三天展会时间一站式了解化学大厂的新材料应用开发,同时面对面亲身体验诸如有机硅、新型陶瓷等材料研发和应用的最新进展。

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【关于TCT亚洲展】

2022年TCT亚洲展将于8月31-9月2日在深圳国际会展中心(宝安)与大家见面,260+增材制造企业汇聚一堂,展出面积超过20,000平方米,聚焦上百件新品首发,邀请业内专家和领先用户,一起探索前沿应用。
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