Progetto NOVUM che sviluppa una linea pilota di stampa 3D in cellulosa
Come discusso nella nostra serie sulla relazione tra stampa 3D e cambiamento climatico, le aziende di combustibili fossili che anticipano qualsiasi regolamentazione in risposta al riscaldamento globale si sono riscaldate all’idea di dedicare più risorse alla produzione di plastica . Tuttavia, anche la plastica viene regolamentata in misura minore, in particolare quando si tratta di prodotti di consumo monouso. Entro il 2021, l’Unione Europea metterà al bando le posate di plastica monouso, i cotton fioc, le cannucce e le palette. Altri articoli vietati in nazioni come Regno Unito, Taiwan, Canada, Kenya e altri includono microperle, sacchetti di plastica e altri prodotti di plastica monouso.
Sebbene non del tutto aggressive, queste forme di legislazione dimostrano una certa volontà da parte dei governi nazionali di prendere le misure necessarie per combattere il collasso ecologico in corso che è stato accelerato dalla civiltà umana industriale. Se queste società desiderano mantenere una qualche parvenza del loro attuale stile di vita, dovranno sviluppare alternative ai polimeri a base di combustibili fossili.
Tra i biopolimeri discussi nella nostra serie sull’argomento, la cellulosa sembrava potenzialmente promettente. Il Centro di ricerca tecnica VTT di proprietà statale della Finlandia sembra pensarla così, poiché il suo progetto NOVUM è interamente dedicato alla stampa 3D di materiali di cellulosa. Il leader del progetto Heli Kangas è stato in grado di raccontarci di più al riguardo a Formnext Connect .
Costituendo circa un terzo della materia vegetale sulla Terra, la cellulosa è il componente principale delle pareti cellulari delle piante, rendendola uno dei polimeri più abbondanti del pianeta. Le fonti primarie di cellulosa commerciale sono il legno e il cotone, con la prima che si traduce nella produzione di prodotti di carta.
A causa della robusta industria del legname finlandese, la cellulosa si è presentata come il principale candidato per il progetto NOVUM, secondo Kangas. Il materiale è anche quello che ABB Robotics utilizza per alcuni dei suoi componenti di isolamento nei trasformatori di potenza raffreddati ad olio grazie alla sua elevata purezza, rigidità dielettrica, resistenza meccanica, lunga durata a temperature di esercizio e capacità di essere permeato di olio.
Tuttavia, il processo tradizionale per produrre parti in cellulosa richiede circa otto fasi ad alta intensità di lavoro e di energia. Questo inizia tipicamente con l’incollaggio di fogli di cellulosa insieme e quindi formandoli manualmente utilizzando stampi metallici. Ciò significa che sono necessari centinaia o migliaia di stampi per realizzare un’ampia varietà di tali parti.
Al contrario, la stampa 3D con cellulosa elimina completamente la necessità di uno stampo e può ridurre il numero di fasi di produzione a solo due o tre: design, stampa 3D e post-elaborazione. A differenza delle tradizionali tecniche basate su stampi, la stampa 3D sarebbe altamente automatizzata. In definitiva, i membri del team NOVUM ritengono che potrebbe essere possibile ridurre il lavoro del 40%, la produzione di rifiuti del 60% e il consumo di energia del 40%.
Con l’obiettivo di sviluppare una linea pilota per la stampa 3D di strutture di cellulosa entro il 2021, il progetto ha preso il via. Mentre il gruppo ha preso in considerazione una varietà di metodi per la stampa 3D del materiale, inclusi il getto di materiale e la laminazione del foglio, l’estrusione del materiale è stata ritenuta la più fattibile per la lavorazione della cellulosa.
VTT ei suoi partner, in particolare la tecnologia 3D della Finlandia in questo caso, hanno infine sviluppato una stampante 3D desktop su scala di laboratorio soprannominata BRINTER in grado di stampare in 3D filamenti di cellulosa, granuli e paste. La cellulosa non ha additivi a base di petrolio. A differenza di altri biomateriali, che possono utilizzare plastificanti derivati dal petrolio per migliorare le caratteristiche fisiche del polimero, la cellulosa di VTT è biobased al 100% ed è composta da circa il 50-60% di cellulosa in peso.
“Beh, [la cellulosa è] in realtà un plastificante in sé quando la modifichi. Lo abbiamo fatto con gli acidi grassi, per esempio. Quindi, quello stesso è un plastificante. Stiamo usando questa proprietà dell’acetato di cellulosa o anche pareti cellulari modificate. E poi aggiungiamo anche alcune fibre o polveri di cellulosa per dare la consistenza e la forza delle fibre “, ha detto Kangas. “Ma, in realtà, i materiali stessi agiscono da plastificante. In alcuni casi, è necessario utilizzare un plastificante esterno, ma sono tutti biobased “.
Il prossimo passo è trasformare questa tecnologia in una linea di produzione pilota, che il partner VTT Abis sta ora realizzando. Il sistema industriale ha lo scopo di gestire tutti gli aspetti del processo di produzione, con un robot industriale che riceve una parte stampata in 3D dalla stampante, un secondo robot che esegue l’ispezione visiva e possibilmente un terzo che esegue il trattamento superficiale.
Le sfide includono la capacità di maneggiare il prodotto senza danneggiarlo, tenendo conto della durezza e dell’umidità. Ciò può richiedere la “stagionatura” in aree di stoccaggio o forni. Altre funzionalità prese in considerazione sono l’inclusione della tracciabilità del prodotto, l’assegnazione di numeri ID alle parti e la raccolta di dati dalla stampante durante il processo di produzione.
“[La linea pilota è a] un livello di prontezza tecnologica sei, il che significa che è stata pilotata o dimostrata nell’ambiente pertinente”, ha detto Kangas. “L’ambiente rilevante in questo caso è l’ubicazione di 3D Tech. Sono un fornitore di servizi per diversi utenti finali “.
Alla domanda su quanto siamo vicini alla sostituzione della plastica a base di combustibili fossili con la cellulosa, Kangas ha detto:
“La cellulosa ama l’acqua, quindi la trattiene. Puoi ricavarne della carta, ma è difficile creare forme 3D perché, se sono solo la fibra e l’acqua come di solito sono, allora, quando la asciughi, ci vuole molta energia per estrarre effettivamente l’acqua da essa. Ma quando usi la tecnologia di stampa 3D, non hai l’acqua, ma non è nemmeno l’elemento naturale della cellulosa. Quindi, se stai confrontando le parti in cellulosa con la plastica, le proprietà meccaniche non ci sono ancora. Voglio dire, ci stiamo avvicinando sempre di più, ma non siamo ancora arrivati. “
Ora che i partner NOVUM hanno sviluppato i mezzi per produrre parti in cellulosa in modo automatizzato che consuma meno energia, rimane la necessità di un fornitore di materiale di cellulosa per la stampa 3D.
“Questo è un po ‘l’anello mancante della catena del valore. Non abbiamo il produttore [giusto tipo di produttore materiale]. Qualche azienda chimica dovrebbe interessarsi al materiale “, ha detto Kangas.
L’industria cartaria in declino della Finlandia trarrebbe ovviamente vantaggio dalla produzione di parti di cellulosa, ma il pianeta trarrebbe vantaggio dall’abbandono della plastica derivata dal petrolio. Non è ancora noto se ciò avvenga o meno attraverso l’uso della cellulosa. Kangas ritiene che la cellulosa potrebbe essere utilizzata per sostituire alcune plastiche monouso, come gli imballaggi alimentari, osservando che sarebbe necessario un rivestimento per impedire all’umidità di penetrare nella cellulosa.
Alla fine, tuttavia, ritiene che anche i polimeri a base biologica non possano essere utilizzati per sostituire tutte le plastiche attualmente in produzione. Crede invece che sia necessario apportare modifiche al modo in cui utilizziamo e ricicliamo la plastica. Ciò significa utilizzare meno materiali vergini, migliorare il sistema di riciclaggio globale, cambiare gli atteggiamenti delle persone in modo che riutilizzino e riciclino quando possibile. Quindi, la sostituzione della plastica dei combustibili fossili con i biopolimeri giocherebbe un ruolo minore.
Sebbene l’obiettivo iniziale del progetto fosse quello di isolare la stampa 3D per ABB, il gruppo sta ancora ricercando la tecnologia per quella specifica applicazione. È necessario un ulteriore sviluppo per far sì che le parti di cellulosa stampate in 3D siano all’altezza del compito di funzionare a temperature elevate nell’olio per anni 3D. ABB potrebbe ancora finire per utilizzare la tecnologia, ma, nel frattempo, VTT ha già riscontrato interesse nei settori navale e automobilistico. Per i primi, l’idea sarebbe quella di stampare in 3D elementi decorativi in cellulosa per le navi da crociera. Per quest’ultimo, i produttori stanno valutando la sostituzione della plastica a base di combustibili fossili con parti di cellulosa.
I partner del progetto NOVUM non sono gli unici a lavorare sui materiali di cellulosa per la stampa 3D. Un breve elenco di attività di ricerca dirette a questo obiettivo include aerogel di cellulosa , cerotti biodegradabili per ferite , filamenti realizzati con polipropilene di cellulosa riciclata , acetato di cellulosa , inchiostro reattivo e oggetti su larga scala . Tuttavia, una volta che questo programma pilota sarà decollato, un partner aziendale come 3D Tech sarà in grado di portarlo sul mercato e, si spera, di rendere la stampa 3D di cellulosa un’attività sempre più diffusa.
