碳中和、碳達(dá)峰是近兩年最熱的關(guān)鍵詞。而增材制造也一直被認(rèn)為是制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù),其中環(huán)保FFF/FDM線材最近兩年越來越成為關(guān)注的重點。無論是在線材外包裝由紙盤替換塑料料盤;還是化工企業(yè)推出的可回收、可降解以及生物基材料,環(huán)保已經(jīng)成為眾多材料廠商關(guān)注的焦點。 秉承著綠色環(huán)保的理念,本月底來現(xiàn)場參觀亞洲領(lǐng)先3D打印展會—— TCT亞洲展的所有觀眾都將獲得一枚由3D打印線材和設(shè)備制作完成的 ‍胸卡掛鉤,掛鉤打印材料分別來自:Polymaker(展位號:M56) 的 Polylite PLA; 巴斯夫 Forward AM(展位號:M60)的 rPET; eSUN 易生(展位號:H69)的閃光 PLA; 萬華化學(xué)(展位號:H85)的生物基TPU和 Covestro科思創(chuàng)(展位號M65)的r-PC。 用環(huán)保耗材打印的胸卡掛鉤
胸卡掛鉤由Raise3D(展位號:N15)的多款3D打印機進(jìn)行批量生產(chǎn),特別鳴謝專業(yè)打印服務(wù)商峻宸集團(展位號:D60)在此次活動的協(xié)力幫助。
讓我們來提前與各大廠商聊聊綠色線材概念,展會期間又將有哪些新產(chǎn)品與觀眾們見面?
*感謝Raise3D材料金珉德博士對此次訪談的貢獻(xiàn)
金珉德博士
Raise3D
材料負(fù)責(zé)人
嘉賓介紹:
陳立博士 巴斯夫Forward AM 亞太區(qū)業(yè)務(wù)及運營總監(jiān)
楊義滸博士
董事長
黃宇立
Polymaker 產(chǎn)品負(fù)責(zé)人
楊杰博士
萬華化學(xué)
策略研發(fā)經(jīng)理
1,3D打印線材的環(huán)保和回收的課題在歐美地區(qū)是否有得到關(guān)注?原因在于大眾的意識層面,還是有其他原因? 關(guān)鍵詞:歐美市場、企業(yè)責(zé)任、民眾、碳指標(biāo)
陳立:在巴斯夫Forward AM,環(huán)保、回收等可持續(xù)發(fā)展話題是公司愿景的重要支柱。我們?yōu)?D打印項目提供最好的材料,同時保護(hù)環(huán)境、地球和子孫后代。在我們所有的業(yè)務(wù)線中,無論是粉末床熔融,光聚合物還是我們的線材,都非常注重環(huán)保和回收的話題。
其中,Ultrafuse® 系列材料在原材料、包裝盒、產(chǎn)品卷軸方面都采用了可持續(xù)發(fā)展的理念。我們擁有更廣泛、更環(huán)保的Ultrafuse®線材產(chǎn)品組合,如生物基Ultrafuse® PLA、PLA PRO1、Ultrafuse®TPC 45D和Ultrafuse® rPET可再生PET。
楊義滸:在可持續(xù)發(fā)展的大背景下, 3D打印線材的環(huán)保和回收的課題已經(jīng)在全球得到關(guān)注,原因包括大眾的環(huán)保消費理念提升,企業(yè)將碳減排作為社會責(zé)任,禁(限)塑政策在越來越多的國家得到支持。歐美等發(fā)達(dá)國家和中國、印度、俄羅斯、巴西等新興市場國家都已經(jīng)發(fā)布了禁(限)塑計劃。
黃宇立:歐美國家相對來說更關(guān)注這個話題,尤其是在歐洲,有意識層面的,也有制度層面的。例如,歐洲對于包裝的可回收性就有較多的相關(guān)法案。
楊杰:環(huán)保和回收不僅僅是3D打印線材,也是傳統(tǒng)材料關(guān)注的熱點。歐美地區(qū)的工業(yè)水平較為發(fā)達(dá),對環(huán)保和回收的關(guān)注度更早也更強烈。后工業(yè)化的歐美發(fā)達(dá)國家,輿論和學(xué)術(shù)都在積極思考工業(yè)社會對自然生態(tài)環(huán)境的干擾,而越來越多的極端氣候事件則影響了大眾的意識和關(guān)注。3D打印作為下一代工業(yè)制造技術(shù),理應(yīng)承接這些變化和思考,這也讓3D材料從一開始就有環(huán)保和回收的要求。
2,PLA是我們3D打印最常用的3D打印線材,可以在一定的條件下進(jìn)行降解。對于線材,一般多久可以降解,除了自然環(huán)境降解,是否有其他的方式能加速降解或者回收利用的嗎?
關(guān)鍵詞:回收、快速降解
陳立:PLA(聚乳酸)是3D打印中最常用的材料之一,該材料來源于生物基,理論上是可以被降解的,具體的需要的降解時間會因降解環(huán)境以及PLA添加劑配方的不同而有所差異。
楊義滸:PLA作為可降解材料,在自然環(huán)境中完全降解不太容易,需要幾十以致上百年,當(dāng)然PLA線材也是一樣的。目前加速降解的辦法主要還是工業(yè)堆肥降解法,在工業(yè)堆肥條件下3-6個月PLA可以分解為二氧化碳和水。當(dāng)然,PLA也可以運用物理回收或化學(xué)回收方法進(jìn)行回收利用。eSun具有PLA化學(xué)回收技術(shù),其高值化化學(xué)回收技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。
黃宇立:基于條件的不同,降解時間區(qū)別也會比較大,在堆肥的條件下一般PLA類材料在10幾天到幾十天的時間尺度內(nèi)會比較充分得降解。環(huán)境中的濕度,溫度和微生物情況都會影響降解的速度。
楊杰:PLA本身的結(jié)構(gòu),可以在堆肥條件下由生物進(jìn)行降解。加速降解可以通過篩選自然菌種,或者在堿性環(huán)境下實現(xiàn)。但是降解是讓材料失去原有功能性,更為合適的是循環(huán)使用或者降解到Chemicals再次合成得到新的聚合物,實現(xiàn)功能循環(huán)或者分子循環(huán)。
3,除了PLA, PET和PC也會經(jīng)常被貼上回收環(huán)保的標(biāo)簽。作為材料企業(yè),你覺得3D打印最看好的回收/環(huán)保線材是什么?說說你的原因?
關(guān)鍵詞:回收PET,回收TPU
陳立:PLA是目前市場上銷量最高的生物基材料,符合可持續(xù)發(fā)展的理念,同時容易打印。然而PET材料的機械性能更高,可滿足功能性材料的需求,因此我們巴斯夫推出了一款可回收的Ultrafuse® rPET 材料,在歐美得到了廣泛的好評。
為了實現(xiàn)環(huán)保和可回收,我們不使用原始的PET原材料,而是利用99-100%回收的廢料,通過巴斯夫在材料回收領(lǐng)域的專知,可以確保使用回收材料生產(chǎn)出的rPET線材擁有穩(wěn)定的高質(zhì)量,同時減少收集新原材料的需求,以減少碳足跡,節(jié)省能源和自然資源。
楊義滸:我個人看好的回收/環(huán)保線材還是PLA。因為PLA的生物相容性對人體是安全的,其生物降解性保證對環(huán)境是友好的,特別是其可打印性能優(yōu)異,這些都導(dǎo)致PLA成為使用最廣泛的3D打印材料。而且PLA可以物理回收,也可以化學(xué)回收,在可持續(xù)發(fā)展的背景下,優(yōu)勢明顯。當(dāng)然,PC、PET也是不錯的3D打印材料,也具有良好的回收前景。
黃宇立:開發(fā)含有回收材料的線材,最核心的挑戰(zhàn)是“穩(wěn)定的回收材料來源”。從這個維度看,PET回收材料的供應(yīng)最為穩(wěn)定,主要來源于飲料瓶材料的回收。同時PC,PLA,ABS,PP也有一些穩(wěn)定得回收渠道,是很有潛力的材料類型。
楊杰:我們希望的回收/環(huán)保是對環(huán)境負(fù)擔(dān)小,高性價比的回收/環(huán)保。因此可以實現(xiàn)功能循環(huán)的材料是比較好的,例如PC、TPU、PP這類熱塑且性能穩(wěn)定,可以實現(xiàn)功能多次循環(huán)的材料。
4,回收材料的在性能和原有的線材會有什么變化,回收的PLA材料還有沒有原有的抗翹曲,回收材料的層間結(jié)合力是否會有變化?
關(guān)鍵詞:力學(xué)性能、打印難度
陳立:一般而言會接近原有材料,不會因為回收原因造成性能的巨大差異。例如,巴斯夫的Ultrafuse® rPET相比傳統(tǒng)的PET, 更加易于打印,擁有出色的打印效果以及機械性能,可用于如消費品,汽車,夾具和夾具,原型設(shè)計以及與食品直接接觸的應(yīng)用。
楊義滸:回收材料的性能相比原有的線材在打印穩(wěn)定性方面有一些變差,回收材料中分子量分布會大一些,打印拉絲、架橋等一般會差一些。當(dāng)然我們可以通過對回收材料進(jìn)行改性來改善其性能,比如力學(xué)性能上可以通過改性做到接近,甚至?xí)靡恍?,層間結(jié)合力也會有一些變化等。但是技術(shù)上可行,不一定經(jīng)濟上可行,需要綜合考量。
黃宇立:回收材料并不能簡單得直接擠出成為線材,會需要通過配方設(shè)計才能成為適用于3D打印的材料。而經(jīng)過合理配方設(shè)計的含回收材料的3D打印材料,并不會表現(xiàn)出顯著得性能劣勢。
楊杰:首先變化是顏色,因為我們的線材越來約多彩,回收時這些顏色是很難分類篩選,往往會放在一起回收,這些不可控的色彩會帶來不一樣的效果,也許是一種驚喜;其次是流變性能的變化,這個會直接影響再次擠出線材的穩(wěn)定性和打印的穩(wěn)定性;再次是基礎(chǔ)物性的變化,回收會經(jīng)歷再次熱塑加工,聚合物都會有所降解,降解改變了分子量及分布,這些會降低力學(xué)、成型、結(jié)晶等性能,從而表觀看起來抗翹曲、層間結(jié)合力會有變化。
對于較為穩(wěn)定的聚合物,這些影響較小,比如萬華推出的TPU、PP打印材料,都具有穩(wěn)定的熱性能,我們的數(shù)據(jù)單次循環(huán)TPU分子量降低<2%。
5,回收材料制作3D打印線材的最大的難點是什么?供應(yīng)鏈還是其他因素?
關(guān)鍵詞:成本、供應(yīng)鏈、價格
陳立:回收料來源的穩(wěn)定性以及專業(yè)的生產(chǎn)工藝,以保證成品質(zhì)量穩(wěn)定性。價格略高這個問題確認(rèn)存在,需要客戶有一定的環(huán)保意識,愿意為了可回收付出更高的成本。
楊義滸:我認(rèn)為回收材料制作3D打印線材的最大的難點是成本,回收材料性能難以穩(wěn)定,需要投入更大的人力和財力去做配方優(yōu)化,同時由于性能穩(wěn)定較差,工藝控制也比較難以穩(wěn)定,會直接導(dǎo)致生產(chǎn)成本的劇增,又因為使用的是回收料,產(chǎn)品的性能與新料相比還會差一些,價格相對就會低廉,直接導(dǎo)致企業(yè)的利潤明顯降低。
黃宇立:目前使用回收材料制作3D打印線材的最大的挑戰(zhàn)在于獲得穩(wěn)定得回收原料,穩(wěn)定指供應(yīng)穩(wěn)定和性能穩(wěn)定。
楊杰:首先是回收的供應(yīng)鏈,3D打印作為去中心化的生產(chǎn)方式,如何收集、分類回收材料在當(dāng)前具有挑戰(zhàn);其次是回收材料的穩(wěn)定流變性能往往由于回收的分類不完善,會給后續(xù)加工帶來很大挑戰(zhàn);成本也是需要考慮的因素,現(xiàn)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顯著區(qū)別,是否在有些運用場景是有獨特優(yōu)勢的?關(guān)鍵詞:原理、特性、回收
陳立:更多的使用生物基材料可以幫助減少聚合物生產(chǎn)對氣候的影響,使其更具可持續(xù)性。比如,海洋生態(tài)與人類活動密切相關(guān),巴斯夫Forward AM與法國YUYO公司共同研發(fā)了一款環(huán)保的沖浪板,使用取材于可回收醫(yī)療器械的Ultrafuse rPET材料,為客戶按需定制生產(chǎn),減少了醫(yī)療塑料浪費的同時也減輕了沖浪板對環(huán)境的影響。
楊義滸:生物基材料由于其來源于生物質(zhì),具有固碳減碳的環(huán)保價值,是一個比較有前景的材料,也是未來的一個發(fā)展方向。雖然性能相比普通才有一定的差距,但可以用其所長。如eSun生物基3D打印光固化樹脂由于氣味低、安全性好而收到歐美客戶歡迎。目前有一些用咖啡渣、木粉等與高分子材料共混改性的3D打印材料,打印的制品不僅很好的木質(zhì)效果,同時還帶有獨特的咖啡或者木質(zhì)香味。
黃宇立:生物基是材料領(lǐng)域重要的發(fā)展方向,其性能和現(xiàn)有主流材料(石油基)并沒有本質(zhì)的區(qū)別。或者換句話說,對于某一種材料,它是通過生物原料合成或者是通過石化原料合成,并不是決定其性能的核心因素,決定性因素是材料的微觀的化學(xué)結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)。從可持續(xù)的角度來說,生物基材料尤其獨特的優(yōu)勢。
楊杰:生物基相對于石油基,它并不一定意味著更好的性能(少數(shù)特殊C鏈結(jié)構(gòu)除外),更多只是和石油基材料相似材料性能,它的意義更多是在于政策引導(dǎo)下的減少碳足跡,提高C的自然循環(huán)率。特殊的C鏈結(jié)構(gòu)(比如奇數(shù)C鏈),生物基路線會更容易生產(chǎn),而奇數(shù)C鏈會帶來聚合物,比如TPU更好的加工性能。
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