La impresión 3D está lista para revolucionar la fabricación; ¿revolucionará también los impactos ecológicos de hacer cosas? ¿Realmente eliminará el desperdicio? ¿Eliminará el envío? ¿Creará más problemas de los que resuelve? Algunos colegas y yo en el departamento de ingeniería mecánica de UC Berkeley nos propusimos encontrar las respuestas, y lo que encontramos fue sorprendente.
El uso de electricidad domina los impactos ambientales
En pocas palabras, las impresoras 3D no son necesariamente menos derrochadoras; sus residuos no son necesariamente reciclables; su desperdicio no es tan importante en comparación con su uso de electricidad.
Incluso si las impresoras 3D eliminaran el transporte de mercancías, no importaría mucho: el transporte es una pequeña parte de los impactos ambientales de la mayoría de los productos.
A escala de fabricación en masa, las impresoras 3D tienen impactos mucho mayores por pieza que el moldeo por inyección tradicional. Pero eso tampoco importa mucho, porque eso no es lo que están reemplazando. Están reemplazando pequeñas series personalizadas de piezas que se mecanizan a partir de bloques de material. A veces, las impresoras 3D son más ecológicas que estos procesos de mecanizado que están reemplazando, a veces no.
Ya sea que esté fresando o haciendo impresión 3D, la forma en que usa la herramienta es el factor más importante en su impacto ambiental. Y hay muchas oportunidades para que las impresoras 3D mejoren, dando grandes pasos hacia una fabricación más ecológica.
Cómo se midieron los impactos
Para ver si la impresión 3D es beneficiosa o no, la comparamos con un molino controlado por computadora (“CNC”).
Hay muchos tipos de impresoras 3D; medimos dos tipos:
1) Una máquina “FDM”
Como un RepRap o Makerbot, más bien como una pistola de pegamento caliente con motores para moverlo en X, Y y Z
2) Una impresora 3D de inyección de tinta
Coloca tinta polimérica, capa por capa, y la endurece curando con luz ultravioleta. Un ejemplo es la tecnología Objet PolyJet.
Solo buscamos hacer cosas de plástico, ya que las máquinas de inyección de tinta y FDM no pueden hacer otros materiales como los metales. Por lo tanto, estos resultados no son de aplicación universal, aunque creo que son ampliamente relevantes para la mayoría de la fabricación aditiva.
Utilizamos la evaluación del ciclo de vida (“LCA”) para comparar las dos impresoras 3D y el molino: incluidos los materiales y la fabricación de las máquinas, el transporte, el uso de energía, el material en las partes finales, el material desperdiciado y el final de -Eliminación de vida de las máquinas.
Probamos 22 escenarios diferentes de cómo se utilizan estas máquinas. Para hacer una comparación de manzanas con manzanas, hicimos dos partes en las tres máquinas y calculamos los impactos ecológicos por parte por año.
Comparando manzanas con manzanas: haciendo dos partes diferentes en las tres máquinas para una prueba justa.
Sorprendentemente, nadie ha publicado una comparación cuantitativa completa como esta antes. La mayoría de los ACV de estas máquinas solo miden el uso de energía, lo que no es suficiente.
Si solo midiéramos el uso de energía, el molino obtendría la mejor puntuación. Pero si solo midiéramos el uso y el desperdicio de material, la fábrica obtendría el peor puntaje. Entonces, ¿cómo equilibramos las emisiones de efecto invernadero, la toxicidad, la contaminación del aire, la contaminación del agua, etc.?
Utilizamos una metodología llamada “Punto final H de ReCiPe” que normaliza y pesa los diferentes impactos (kg de CO2 y NOx, ppm de partículas, etc.) en unidades genéricas llamadas “puntos”. Las metodologías de puntaje único como esta son controvertidas, ya que están lejos de ser perfectas. Sin embargo, han sido desarrollados durante los últimos 20 años por científicos ambientales a través de procesos revisados por pares y son mucho más creíbles que las conjeturas sin educación de los no expertos.
Los tomadores de decisiones que usan y compran herramientas como esta (diseñadores, ingenieros, ejecutivos de negocios, etc.) necesitan esta simplificación en puntajes únicos de LCA, porque ninguno de ellos son científicos ambientales. Para verificar el sesgo en el método de puntuación, también realizamos el mismo análisis con un método diferente (IMPACT 2002+); Los resultados fueron casi idénticos, fortaleciendo la credibilidad de los sistemas de puntaje único.
¿Cuál es más verde?
El mito de la basura cero fue confirmado y destruido.
La máquina FDM en realidad puede tener un desperdicio insignificante, pero solo si su modelo no necesita ningún material de soporte para apuntalarlo durante la impresión. Las impresoras aficionadas ni siquiera pueden imprimir material de soporte, por lo que califican.
Sin embargo, la impresora 3D de inyección de tinta desperdicia el 40% de su tinta, sin contar el material de soporte (que podría ser más masa que su parte final, dependiendo de la geometría y la orientación). Además, estos residuos no pueden reciclarse (hoy). Otros investigadores que han estudiado otros tipos de impresoras 3D también han encontrado un desperdicio significativo en algunos de ellos.
Más sorprendente que el desperdicio medido fue si el desperdicio incluso importa . Para el mecanizado tradicional, el uso y desperdicio de materiales es, de hecho, el mayor impacto, pero para la impresión 3D, es el uso de energía.
El material todavía importa, pero no es dominante. Reducir la cantidad de material impreso es definitivamente beneficioso. Una forma de hacerlo es imprimir piezas huecas, y una máquina FDM puede imprimir piezas huecas al 90% o más (una hazaña impresionante). Sin embargo, incluso en este escenario, el mayor beneficio de las piezas huecas es la reducción asociada en el uso de energía, no la reducción del uso de materiales.
La fabricación, el transporte y el final de la vida útil de todas las máquinas (tanto impresoras 3D como de fábrica) fueron una pequeña porción de los impactos, amortizados por la alta utilización. Sin embargo, si solo hace una parte por semana, esos impactos incorporados pueden ser significativos para el FDM y la fábrica.
En general, descubrimos que la impresora de inyección de tinta tenía impactos ecológicos significativamente peores que el mecanizado tradicional, pero la FDM era significativamente mejor.
Sin embargo, la variación y las incertidumbres también son significativas. El siguiente gráfico muestra las barras que se desvanecen en la parte superior para mostrar el grado de variación entre 22 escenarios. Cada herramienta puede puntuar tan bien como la parte inferior del desvanecimiento, o puede puntuar tan mal como la parte superior de la barra, dependiendo del escenario de uso y la incertidumbre fundamental de los datos.
Resultados de LCA para diferentes procesos de fabricación
(más puntos = más impactos ambientales)
Una fresadora bien ejecutada podría funcionar mejor que una máquina FDM mal ejecutada, y una inyección de tinta extremadamente bien ejecutada podría obtener mejores resultados que una fresadora de funcionamiento moderado. El moldeo por inyección también se muestra, a escala.
Sin embargo, este no es el veredicto final. Este gráfico es para todas las máquinas que producen piezas todo el tiempo (casi 24 h / día, 7 días / semana). Como puede ver, las variaciones de impacto están entre 30% (para FDM) y aproximadamente el doble (para inyección de tinta y CNC). Las diferencias verdaderamente grandes en el impacto ambiental se encuentran entre usar un poco las máquinas y usarlas mucho.
Cualquiera de estas herramientas que formaban parte solo una vez a la semana, pero que quedaban el resto del tiempo, tenía aproximadamente diez veces el impacto de la misma máquina en la máxima utilización. Esta diferencia de 10x es obviamente mucho mayor que las diferencias entre herramientas.
Entonces, aún más importante que la máquina que elija es tener la menor cantidad de herramientas para ejecutar la mayoría de los trabajos (por ejemplo, compartiendo herramientas). Esto no solo amortiza los impactos de la fabricación de las máquinas en sí, sino que también elimina el uso de energía en tiempo de inactividad. (Sin embargo, tenga en cuenta que una máquina FDM apagada entre ejecuciones funciona bastante cerca de los mejores escenarios que se muestran en el gráfico anterior).
Cómo imprimir mejor las piezas 3D
ENERGÍA
Debido a que el uso de energía domina los impactos de las impresoras 3D, la mejor manera de reducir los impactos es reducir el tiempo de ejecución. Aquí hay tres estrategias simples para eso:
1. Imprima partes huecas en lugar de sólidas. La versión hueca puede requerir material de soporte, pero a menudo esto todavía está bien, porque el material de soporte puede imprimir más rápido y / o puede tener el beneficio adicional de ser menos tóxico que el material modelo. Puede probar su configuración para ver si esto es cierto para su impresora y materiales.
2. Oriente las piezas para la impresión más rápida. Por ejemplo, colocar una parte alta sobre su costado puede imprimir más rápido, o elegir una determinada orientación puede eliminar la necesidad de mucho material de soporte, reduciendo tanto el uso de energía como el desperdicio.
3. Llene la cama de la impresora con varias partes. Las máquinas FDM no obtienen ningún beneficio de esto, pero el chorro de tinta que probamos tuvo aproximadamente el mismo tiempo de impresión si estaba imprimiendo una sola parte o varias partes, reduciendo sus impactos ecológicos por parte casi a la mitad. Lo mismo puede ser cierto para otros tipos de impresoras.
Materiales
Elegir buenos materiales también puede ser importante. Los mejores materiales no solo reducen el uso de recursos y los desechos, sino que también reducen la toxicidad e incluso reducen el uso de energía.
Los metales obviamente requieren calor extremo para fundirse, usando más energía que los plásticos. Por otro lado, algunas impresoras pueden usar pulpa de madera con un aglutinante adhesivo , usando radicalmente menos energía que la fusión de plásticos. Si bien la mayoría de las impresoras 3D usan plástico, literalmente hay cientos de materiales disponibles: vidrio, almidón, yeso, cerámica, etc.
La toxicidad puede no ser obvia, pero recuerde que los humos de plástico fundido de una impresora 3D son inhalados por quien esté cerca, y estos humos no son buenos para usted. Algunos plásticos son menos malos que otros. Busque una hoja de datos de seguridad del material (“MSDS”) y busque los números “NFPA” o “HMIS”. Estas son escalas estandarizadas de inflamabilidad, toxicidad y reactividad. Para la toxicidad más baja, desea un puntaje cero; la mayoría de los plásticos tienen puntajes de uno, pero muchos materiales de soporte tienen puntaje cero. Si esos números están empatados, puede buscar los números “LD50” o “LC50” (mediciones de toxicidad en ratones) y elegir el más bajo.
Un ejemplo prometedor es el PLA bioplástico : requiere menos energía para imprimir (y menos energía para fabricar) que el plástico ABS; También es menos tóxico e incluso tiene una mejor calidad de impresión. Debido a todo esto, se está convirtiendo rápidamente en un material de impresión 3D estándar para aficionados.
Fabricación aditiva impulsada por el sol y utilizando arena libremente abundante.
El ejemplo más impresionante de impresión verde en 3D es el “sinterizador solar” de Markus Kayser. Es un carro autónomo que fusiona arena en vidrio con los rayos del sol. Lo rueda hacia el desierto, vierte un poco de arena y la lente gigante en la parte superior enfoca la luz del sol lo suficiente como para fusionar la arena en un vidrio. Un pequeño panel solar ejecuta los motores y la electrónica para mover la lente y nivelar la arena en la cama. Utiliza energía 100% renovable, con materiales no tóxicos, locales y abundantes.
Tales ejemplos pueden ser solo el comienzo: será emocionante ver cuánto más verde puede ser la impresión 3D.