回收3D打印的廢棄熱塑性塑料部件及廢料

文/本刊編譯（原文來自JEC）

為提高大型增材制造（簡(jiǎn)稱LFAM）的可循環(huán)性，化工行業(yè)的領(lǐng)先者SABIC與下一代汽車的制造商Local Motors合作，共同完成了一項(xiàng)“回收3D打印的廢棄熱塑性塑料部件和廢料”的可行性研究。

這項(xiàng)研究探索了取代“填埋LFAM部件方法”的更多可持續(xù)方案，以期在LFAM中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。研究?jī)?nèi)容涉及：對(duì)Local Motors所使用的SABIC的LNPTMThermocompTMAM 增強(qiáng)配混料所具有的打印適應(yīng)性和力學(xué)性能進(jìn)行分析，打印后，對(duì)打印件進(jìn)行回收、研磨并再次加工成粒料。研究表明，由生產(chǎn)后的部件和廢料產(chǎn)生的材料，可以100%地重新用于LFAM或其他工藝中，如注射成型或擠出成型中。這些發(fā)現(xiàn)，有助于為L(zhǎng)FAM行業(yè)所用材料確定可行的循環(huán)路徑，延長(zhǎng)材料的生命周期。

SABIC高級(jí)應(yīng)用開發(fā)工程師Walter Thompson表示：“隨著大型增材制造應(yīng)用的日益廣泛，必須找到可持續(xù)的方法來取代對(duì)LFAM部件的填埋。SABIC和Local Motors已研究了使用機(jī)械研磨廢料和報(bào)廢后的LFAM部件的實(shí)用性，結(jié)果表明，這些材料獲得重新應(yīng)用的潛力巨大，這為支持它們?cè)趦r(jià)值鏈中的重新應(yīng)用邁出了第一步?！?/p>

對(duì)LFAM部件的再利用充滿挑戰(zhàn)

目前，尚未建立起“回收生產(chǎn)后的LFAM部件和廢棄材料”的價(jià)值鏈。這一系列復(fù)雜的步驟包括：對(duì)大型部件進(jìn)行定位、收集，并將它們運(yùn)送到設(shè)備上以進(jìn)行清洗、切割、再研磨和重新利用。

重新使用LFAM材料面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是多次熱循環(huán)（研磨、再次造粒和再次配混等）帶來的潛在降解。在此過程中，每一步都會(huì)增加熱量的累積，從而破壞聚合物鏈，減小纖維長(zhǎng)度，影響材料性能。因此，在確定材料可被再利用的機(jī)會(huì)時(shí)，應(yīng)考慮這些因素。

研究方法和結(jié)果

SABIC和Local Motors的研究包括對(duì)打印適應(yīng)性、產(chǎn)出和力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了評(píng)估打印適應(yīng)性，他們采用LNP Thermocomp AM配混料制備了6個(gè)材料樣品，分 別 含 有 0、15%、25%、50%、75%和100%的再加工成分。然后，在SABIC安裝在其聚合物加工開發(fā)中心（位于美國(guó)馬薩諸塞州Pittsfield）的辛辛那提大型增材制造（BAAM?）機(jī)器上，對(duì)這些樣品的產(chǎn)出和熔體流動(dòng)速率的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每個(gè)樣品都被打印成一個(gè)單壁的六邊形，這是SABIC用于加工以進(jìn)行材料表征的典型的測(cè)試部件形狀。所有的樣品都打印得很好，表面光滑、光亮且筆直，即使是打印層，也沒有表現(xiàn)出材料流動(dòng)方面的問題。

Local Motors的技術(shù)產(chǎn)品總監(jiān)Johnny Scotello說：“制造下一代的汽車意味著要擁抱下一代的生產(chǎn)工藝。能夠與SABIC一起開展研究，以使大型增材制造更具可持續(xù)性，我們感到非常自豪。為廢棄材料或報(bào)廢后的部件帶來價(jià)值是一件困難的事，但這項(xiàng)研究的結(jié)果，卻為產(chǎn)品的可持續(xù)循環(huán)利用帶來了光明的未來。”

為了評(píng)估力學(xué)性能，他們從每個(gè)六邊形的打印部件上切割樣本，然后依據(jù)Test Method D638方法測(cè)試材料的拉伸性能，依據(jù)改進(jìn)的ASTM D-790測(cè)試方法并采用3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試彎曲模量。結(jié)果表明，含有較低百分含量研磨料的樣品具有優(yōu)異的拉伸性能，隨著研磨料百分含量的增大，樣品的拉伸性能逐漸降低。含100%研磨料的樣品，其X方向的拉伸性能只降低了20%，Z方向的拉伸性能只降低了15%。彎曲性能也表現(xiàn)出了同樣的漸進(jìn)趨勢(shì)：含100%研磨料的樣品，其X方向的彎曲模量只降低了14%，Z方向的彎曲模量只降低了12%。

拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)表明，機(jī)械強(qiáng)度隨著研磨料用量的增加而降低。這一發(fā)現(xiàn)，正是在注射成型和擠出成型等其他工藝中使用研磨料時(shí)所表現(xiàn)的典型現(xiàn)象。

展望未來

這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了工業(yè)化后的LFAM廢料和LFAM部件的可再利用性。雖然工業(yè)廢料和消費(fèi)后廢料提供了可再利用的潛力，但在成為現(xiàn)實(shí)之前，卻需要填補(bǔ)回收價(jià)值鏈中存在的空白。因此，需要包括樹脂生產(chǎn)商、中間廠商、3D打印廠商和回收廠商在內(nèi)的LFAM社區(qū)共同努力，為將此類廢料和報(bào)廢部件轉(zhuǎn)變成可重新使用的形式而設(shè)計(jì)一種收集廢料的經(jīng)濟(jì)方法。

與Local Motors合作開展這項(xiàng)研究并呈現(xiàn)這些結(jié)果，是SABIC為L(zhǎng)FAM行業(yè)尋找可循環(huán)解決方案的第一步，該公司將很快完成一份包含詳細(xì)研究數(shù)據(jù)的報(bào)告。