回收3D打印的废弃热塑性塑料部件及废料

作者:本刊编译 发布时间:2021-06-30
为提高大型增材制造(简称LFAM)的可循环性,化工行业的领先者SABIC与下一代汽车的制造商Local Motors合作,共同完成了一项“回收3D打印的废弃热塑性塑料部件和废料”的可行性研究。

这项研究探索了取代“填埋LFAM部件方法”的更多可持续方案,以期在LFAM中进行广泛应用。研究内容涉及:对Local Motors所使用的SABIC的LNP™ Thermocomp™ AM 增强配混料所具有的打印适应性和力学性能进行分析, 打印后,对打印件进行回收、研磨并再次加工成粒料。研究表明,由生产后的部件和废料产生的材料,可以100%地重新用于LFAM或其他工艺中,如注射成型或挤出成型中。这些发现,有助于为LFAM行业所用材料确定可行的循环路径,延长材料的生命周期。

SABIC高级应用开发工程师Walter Thompson表示:“随着大型增材制造应用的日益广泛,必须找到可持续的方法来取代对LFAM部件的填埋。SABIC和Local Motors已研究了使用机械研磨废料和报废后的LFAM部件的实用性,结果表明,这些材料获得重新应用的潜力巨大,这为支持它们在价值链中的重新应用迈出了第一步。”

对LFAM部件的再利用充满挑战

目前,尚未建立起“回收生产后的LFAM部件和废弃材料”的价值链。这一系列复杂的步骤包括:对大型部件进行定位、收集,并将它们运送到设备上以进行清洗、切割、再研磨和重新利用。

重新使用LFAM材料面临的另一个挑战是多次热循环(研磨、再次造粒和再次配混等)带来的潜在降解。在此过程中,每一步都会增加热量的累积,从而破坏聚合物链,减小纤维长度,影响材料性能。因此,在确定材料可被再利用的机会时,应考虑这些因素。

研究方法和结果

SABIC和Local Motors的研究包括对打印适应性、产出和力学性能进行评价。为了评估打印适应性,他们采用LNP Thermocomp AM配混料制备了6个材料样品,分别含有0、15%、25%、50%、75%和100%的再加工成分。然后,在SABIC安装在其聚合物加工开发中心(位于美国马萨诸塞州 Pittsfield)的辛辛那提大型增材制造(BAAM®)机器上,对这些样品的产出和熔体流动速率的变化进行监测。每个样品都被打印成一个单壁的六边形,这是SABIC用于加工以进行材料表征的典型的测试部件形状。所有的样品都打印得很好,表面光滑、光亮且笔直,即使是打印层,也没有表现出材料流动方面的问题。

Local Motors的技术产品总监Johnny Scotello说:“制造下一代的汽车意味着要拥抱下一代的生产工艺。能够与SABIC一起开展研究,以使大型增材制造更具可持续性,我们感到非常自豪。为废弃材料或报废后的部件带来价值是一件困难的事,但这项研究的结果,却为产品的可持续循环利用带来了光明的未来。”

为了评估力学性能,他们从每个六边形的打印部件上切割样本,然后依据Test Method D638方法测试材料的拉伸性能,依据改进的ASTM D-790测试方法并采用3点弯曲试验测试弯曲模量。结果表明,含有较低百分含量研磨料的样品具有优异的拉伸性能,随着研磨料百分含量的增大,样品的拉伸性能逐渐降低。含100%研磨料的样品,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%。弯曲性能也表现出了同样的渐进趋势:含100%研磨料的样品,其X方向的弯曲模量只降低了14%,Z方向的弯曲模量只降低了12%。

拉伸试验和弯曲试验表明,机械强度随着研磨料用量的增加而降低。这一发现,正是在注射成型和挤出成型等其他工艺中使用研磨料时所表现的典型现象。

展望未来

这项研究强调了工业化后的LFAM废料和LFAM部件的可再利用性。虽然工业废料和消费后废料提供了可再利用的潜力,但在成为现实之前,却需要填补回收价值链中存在的空白。因此,需要包括树脂生产商、中间厂商、3D打印厂商和回收厂商在内的LFAM社区共同努力,为将此类废料和报废部件转变成可重新使用的形式而设计一种收集废料的经济方法。

与Local Motors合作开展这项研究并呈现这些结果,是SABIC为LFAM行业寻找可循环解决方案的第一步,该公司将很快完成一份包含详细研究数据的报告。

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