SABIC & Local Motors prüfen Machbarkeit des Recyclings von 3D-gedrucktem Thermoplast-Abfall für nachhaltige Fertigung

Mit dem Wunsch, die Zirkularität der großformatigen additiven Fertigung (LFAM) zu verbessern, schlossen SABIC (Riad, Saudi-Arabien), ein multinationales Chemieunternehmen, und Local Motors (Phoenix, Arizona, USA), ein Next-Generation-Fahrzeughersteller, eine gemeinsame Studie zur Machbarkeit des Recyclings von Abfall-Thermoplastteilen und -spänen aus dem 3D-Druckprozess ab. Die Studie untersuchte nachhaltigere Alternativen zur Deponierung großer gedruckter Teile in Erwartung einer breiteren LFAM-Adoption. Sie beinhaltete die Analyse der Druckbarkeit und mechanischen Eigenschaften von SABICs LNP THERMOCOMP AM-verstärktem Compound, verwendet von Local Motors, nach Druck, Rückgewinnung, Zerkleinerung und Wiederaufbereitung zu Pelletform.

Die Studie ergab, dass Material aus Nachproduktions-Teilen und -Abfall potenziell in LFAM oder anderen Prozessen wie Spritzguss oder Extrusion bis zu 100 % wiederverwendet werden kann. Laut SABIC und Local Motors können diese Erkenntnisse helfen, einen machbaren Pfad zur Zirkularität und einem verlängerten Lebenszyklus für Materialien der LFAM-Industrie zu identifizieren.

„Da die Adoption von LFAM beschleunigt, ist es essenziell, nachhaltige Alternativen zur Deponierung großer gedruckter Teile zu finden“, sagt Walter Thompson, Senior Applications Development Engineer bei SABIC. „SABIC und Local Motors haben die Praktikabilität der Verwendung mechanisch zerkleinerter Abfallmaterialien und End-of-Life [EOL] Teile aus LFAM untersucht. Unsere Studie zeigte großes Potenzial für die Wiederverwendung dieser Materialien und markiert einen ersten Schritt zur Unterstützung der Wiederverwendung innerhalb der Wertschöpfungskette.“

„Next-Generation-Fahrzeuge zu bauen bedeutet, Next-Generation-Fertigungsprozesse zu umarmen“, fügt Johnny Scotello, Director of Technical Product bei Local Motors, hinzu. „Wir sind stolz, mit SABIC zusammenzuarbeiten, um LFAM nachhaltiger zu machen. Wert aus Abfall oder EOL-Teilen zu schöpfen ist eine schwierige Herausforderung, aber die Ergebnisse dieser Studie deuten auf eine helle Zukunft für nachhaltige, zirkuläre Produkte hin.“

Herausforderungen der Wiederverwendung großer gedruckter Teile

Derzeit existiert keine etablierte Wertschöpfungskette für die Rückgewinnung von Nachproduktions-LFAM-Teilen und -Abfall, so SABIC und Local Motors. Diese komplexe Abfolge von Schritten umfasst das Management der Logistik von Lokalisierung, Sammlung und Transport großer Teile zu einer Anlage, die Reinigung, Zerschneiden, Wiederzerkleinerung und Neupurposierung des Materials ermöglicht.

Eine weitere Herausforderung der Wiederverwendung von LFAM-Materialien ist potenzielle Degradation durch mehrfache Wärmezyklen (Zerkleinern, Repelletisieren, Recompoundieren etc.). Jeder Schritt addiert zur kumulativen Wärmeeinwirkung, was dazu neigt, Polymerketten abzubauen und Fasernlänge zu reduzieren und die Leistung beeinträchtigen kann. Diese Faktoren sollten bei der Identifizierung von Möglichkeiten für Materialwiederverwendung berücksichtigt werden.

Studienergebnisse und -methoden

Die SABIC-Local Motors Studie umfasste Bewertungen für Druckbarkeit, Durchsatz und mechanische Eigenschaften. Zur Beurteilung der Druckbarkeit wurden sechs Materialproben von LNP THERMOCOMP AM Compound hergestellt, die 0, 15, 25, 50, 75 und 100 % Wiederaufbereitungsanteil enthielten. Diese Proben wurden auf Änderungen im Durchsatz und Schmelzflussrate an SABICs Big Area Additive Manufacturing (BAAM) Maschine von Cincinnati Inc. (CI, Harrison, Ohio, USA) in dessen Polymer Processing Development Center in Pittsfield, Massachusetts, überwacht. Jede Probe wurde verwendet, um ein einwandiges Sechseck zu drucken, was SABICs typische Testteilgeometrie für Verarbeitung und Materialcharakterisierung ist. Alle Proben druckten reportedly gut, mit glatter, glänzender Oberfläche und geraden, gleichmäßigen Lagen, die keine Probleme mit Materialfluss zeigten.

Für die mechanische Eigenschaften-Bewertung wurden Proben aus jedem sechseckigen Druckteil geschnitten. Diese wurden auf Zug-Eigenschaften nach Testmethode D638 als Leitfaden und auf Biegemodul nach einem modifizierten ASTM D-790 Drei-Punkt-Biegeversuch getestet. Die Ergebnisse zeigten exzellente Zugeigenschaften in den Teilproben mit geringeren Regranulat-Anteilen und nur inkrementelle Abnahmen in den Proben mit höheren Regranulat-Anteilen. Die 100 % Regranulat-Probe erfuhr nur eine 20-prozentige Reduktion der Zugeigenschaften in X-Richtung und eine 15-prozentige Reduktion in Z-Richtung. Für Biegeeigenschaften trat derselbe graduelle Trend auf, mit Biegemodulabnahme von nur 14 % in X-Richtung und 12 % in Z-Richtung für die Probe mit 100 % Regranulat.

Wie erwartet zeigten Zug- und Biegeversuche abnehmende mechanische Festigkeit mit steigendem Regranulat-Anteil. Dieser Befund ist typisch für Regranulat in anderen Prozessen wie Spritzguss und Extrusion.

Ausblick

Diese Studie hebt die Wiederverwendbarkeit von nachindustriellen LFAM-Spänen und -Teilen hervor. SABIC und Local Motors sagen, sowohl nachindustrielle als auch nachverbraucherliche Abfallmaterialien bieten Potenzial für Wiederverwendung; jedoch müssen bestehende Lücken in der Recycling-Wertschöpfungskette geschlossen werden, bevor dieser Prozess lebensfähig sein kann. Ein großer kollektiver Aufwand der LFAM-Community, einschließlich Harzhersteller, Verarbeiter, 3D-Drucker und Recycler, ist nötig, um eine ökonomische Methode zur Sammlung von Abfall und Umwandlung in eine wiederverwendbare Form zu entwickeln.

Die Durchführung dieser Studie mit Local Motors und die Präsentation dieser Ergebnisse sind SABICs erste Schritte zur Findung einer zirkulären Lösung für die LFAM-Industrie. Das Unternehmen wird bald einen Bericht mit detaillierten Daten aus der Studie fertigstellen. SABIC ist verpflichtet, Chemistry That Matters zu nutzen, um Kooperationen über die gesamte LFAM-Wertschöpfungskette zu unterstützen, um soziale Verantwortung, niedrigeren CO₂-Fußabdruck und Zirkularität voranzutreiben.