Quão sustentável é a impressão 3D industrial?

A impressão 3D é considerada uma das tecnologias que permitirá uma manufatura inteligente e sustentável. Embora a impressão 3D seja considerada um processo com menos desperdício, as questões permanecem em aberto:onde está a impressão 3D na escala verde? É realmente amigo do ambiente?

O artigo de hoje buscará as respostas enquanto explora equívocos e fatos que cercam o aspecto ambiental da tecnologia.

Impressão 3D como uma tecnologia de manufatura sustentável

Enquanto buscamos um futuro sustentável, as empresas estão procurando maneiras de otimizar seus processos de fabricação para reduzir o consumo de energia e o desperdício - uma abordagem conhecida como fabricação sustentável.

A impressão 3D é frequentemente vista como uma das principais tecnologias sustentáveis, principalmente devido a dois benefícios:facilita projetos mais eficientes e cria menos resíduos. Vamos nos aprofundar nesses benefícios.

impressão 3D como uma tecnologia de design eficiente

A impressão 3D permite que os engenheiros explorem novas práticas de design, como a otimização da topologia, com a oportunidade de criar peças mais leves e eficientes.

O software de otimização de topologia aplica algoritmos computacionais a um projeto pré-existente para otimizar sua forma e peso.

Para sistemas onde o consumo de energia é impactado pelo peso do sistema, peças mais leves e otimizadas levam ao benefício de longo prazo na economia de combustível. Cada grama removida do peso dos carros ou aviões se traduz em combustível que nunca é queimado - e, portanto, CO2 que nunca é emitido para a atmosfera.




Em um estudo de caso, pesquisadores da Northwestern University usaram a otimização da topologia para reduzir o peso de um suporte de metal de aeronave. Isso resultou em uma redução de 65 por cento do peso, de 1,09 kg para 0,38 kg.

Os pesquisadores estimaram que, ao substituir uma série de componentes de rotina por peças impressas em 3D otimizadas para topologia, como este suporte, a aeronave em geral o peso poderia ser reduzido em 4 a 7 por cento, com o consumo de combustível reduzido em até 6,4 por cento.

Isso significa que as reduções de peso em componentes relativamente pequenos - multiplicado por centenas a milhares de tais peças usado em uma aeronave ou frota - pode levar a economias reais, sentidas em uma maior eficiência energética ao longo da vida útil de um produto.

Impacto ambiental da consolidação de peças

Além de usar a otimização da topologia, as empresas podem melhorar os projetos dos componentes, consistindo em várias peças, redesenhando e imprimindo-os em 3D como uma única unidade. Essa prática é conhecida como consolidação de peças e oferece vários benefícios.

Em primeiro lugar, reduz o número de peças que precisam ser projetadas e fabricadas na montagem final. Em segundo lugar, simplifica o processo de montagem porque menos peças precisam ser soldadas ou aparafusadas.

Por fim, a consolidação permite um melhor desempenho da peça que apresenta maior durabilidade, por ter menos costuras e tolerâncias mais estreitas. Interfaces de peças reduzidas também significam menos vibração e menos caminhos para vazamentos.

Esses benefícios também contribuem para atingir as metas de sustentabilidade. Até o momento, o exemplo mais impressionante de impulsionar a sustentabilidade por meio de um design habilitado para manufatura aditiva (AM) vem da General Electric (GE) e seu trabalho em novos motores de aeronaves Catalyst.

Com o Catalyst, a GE assumiu um projeto que originalmente exigia 855 componentes do motor e o reduzia para 12 peças impressas em 3D de titânio que retêm toda a funcionalidade dos modelos mais antigos. As mudanças reduziram significativamente o peso e o custo de produção.

Essas economias importantes, no entanto, poderiam diminuir as emissões drasticamente. A GE estima que as melhorias possibilitadas pela impressão 3D ajudam a reduzir o peso geral em 5 por cento e melhorar o consumo de combustível específico do freio em 1 por cento.

As implicações de tal redução são amplificadas pela escala da GE:a tecnologia da empresa já impulsiona uma grande proporção de toda a aviação. Quanto mais o Catalisador for integrado ao mix geral de produtos da empresa, maior será o impacto em termos de redução de emissões.

A impressão 3D desperdiça menos recursos do que as tecnologias tradicionais?

A resposta curta:depende da tecnologia com a qual a impressão 3D é comparada. Quando comparada à usinagem CNC, que tem uma proposta de valor semelhante à produção econômica de baixo volume, a impressão 3D tem uma vantagem.




Simplificando, a tecnologia cria um objeto através da colagem sucessiva de finas camadas de material, cada uma sendo uma seção transversal da parte final. Isso permite que as impressoras 3D, dependendo do processo, derretam, fundam, liguem ou sinterizem a quantidade exata de material necessária para a peça.

Com um processo subtrativo como a usinagem, o material é cortado de um bloco sólido para criar uma peça final. Em muitos casos, apenas uma pequena porcentagem do material vai para a parte final, com o desperdício de material cortado frequentemente chegando a mais de 50 por cento.

A redução desse desperdício, com a mudança para a impressão 3D, é um dos benefícios que torna as tecnologias aditivas tão atrativas. Outra tecnologia de impressão 3D é frequentemente comparada é a moldagem por injeção. Embora a moldagem por injeção seja quase um processo de desperdício zero, tende a consumir recursos quando são necessários baixos volumes de peças.

Em uma tentativa de amortizar os altos custos com ferramentas, não é incomum que os fabricantes moldem por injeção mais peças do que o necessário, mantendo assim o estoque de peças excedentes. Isso resulta em custos adicionais de manutenção de estoque e desperdício associado de matéria-prima.

Em comparação com a moldagem por injeção, a impressão 3D permite que os fabricantes produzam pequenos lotes de peças, sem ter que se preocupar com ferramentas. Em última análise, isso significa que a impressão 3D pode produzir a quantidade exata de peças solicitadas, economizando matéria-prima e espaço de estoque.

Fluxos de resíduos na impressão 3D

Dito isso, os processos de impressão 3D não são inerentemente inúteis. Existem duas fontes principais de desperdício, uma sendo desperdício de pós-processamento e a outra - impressões malsucedidas.

Devido às considerações de design, as peças projetadas para impressão 3D geralmente requerem suportes - estruturas que ajudam a evitar a deformação das peças durante o processo de impressão 3D.

Após a conclusão do processo, os suportes precisam ser removidos. Resíduos, resultantes de suportes, normalmente não são enormes, mas ainda precisam ser considerados.





Por exemplo, na fusão de leito de pó metálico (PBF), os suportes podem gerar cerca de 10 por cento dos resíduos. No entanto, com uma boa abordagem de design, visando minimizar os apoios, é possível reduzir esse número para cerca de 2 por cento. Outra etapa geradora de resíduos no pós-processamento é o acabamento da superfície. Para peças impressas em 3D de polímero, a quantidade desse tipo de resíduo é insignificante. Por outro lado, o pós-processamento de algumas peças metálicas impressas em 3D pode gerar uma quantidade muito maior de resíduos. Este é particularmente o caso com processos de baixa resolução, como a deposição direta de energia baseada em fio, onde as peças precisam ser usinadas para atingir o formato quase final. Um exemplo de resíduo DED de fio é mostrado na imagem abaixo.




Partes com falha

Impressões com falha são outra grande fonte de desperdício. Ainda há uma falta de compreensão de como aproveitar melhor o design para AM, o que difere das abordagens de design tradicionais.

Sem essa experiência, criar um design de sucesso que não falhará, enquanto mantém o custo do processo. eficaz, é um desafio. Freqüentemente, os engenheiros precisam descartar várias peças antes de encontrar a orientação ideal de construção e a estratégia de suporte.

Felizmente, esse problema está sendo resolvido com o uso de um software de simulação avançado. Esse software fornece aos engenheiros uma ideia de como uma peça se comportará durante o processo de impressão. Isso significa que eles podem prever problemas de impressão que levariam a uma impressão malsucedida e compensá-los no estágio de design. Resumindo, a impressão 3D pode, de fato, ser menos dispendiosa quando comparada com a usinagem e a moldagem por injeção. Embora tenha seus próprios fluxos de resíduos, na maioria dos casos eles podem ser bastante minimizados levando-os em consideração nos estágios de projeto e preparação da construção.

Com estruturas de suporte otimizadas e impressões malsucedidas evitadas com a ajuda de simulação, a possibilidade de estabelecer um processo de impressão 3D quase inútil está ao nosso alcance.

Impressão 3D e gerenciamento de resíduos

Outro fator de sustentabilidade importante a considerar é a reciclabilidade e reutilização de materiais de impressão 3D. Esse problema é particularmente pertinente à indústria de impressão 3D de metal, onde os preços dos materiais são altos e persistem os equívocos de que o metal em pó não pode ser reutilizado.




No metal PBF, após a conclusão do processo de impressão, alguma quantidade de pó metálico permanece não derretida e pode ser peneirada e então misturada com um novo pó em uma proporção especificada. No entanto, muitas empresas permanecem céticas em relação à reciclagem do pó e, muitas vezes, descartam todo o pó antigo.

Na verdade, vários estudos provaram que a reciclagem e a reutilização adequadas de pós metálicos têm efeito mínimo nas propriedades mecânicas do material. .

Esta abordagem permite que o processo à base de pó seja mais eficiente e econômico. É por isso que fabricantes de impressoras 3D de metal e empresas de tecnologia também estão desenvolvendo soluções de peneiramento para impressão 3D de metal, que agora são uma norma da indústria. Além da reutilização do pó AM, várias empresas também desenvolveram abordagens para reciclar o material de sucata em um pó adequado para impressão 3D.

Por exemplo, 6K, anteriormente Amastan Technologies, está contribuindo para uma economia totalmente circular com seu processo UniMelt. Ele usa um método proprietário de moagem mecânica de sucata de usinagem, como aparas e limalhas, bem como suportes AM e peças rejeitadas em partículas finas. Estes são então alimentados por um sistema de plasma para produzir pós de alta qualidade.

Com soluções como a da 6K, a indústria de metal AM está cada vez mais perto de usar 100 por cento dos materiais que entram na cadeia de fornecimento de metal AM.

Reutilizando termoplásticos

Apesar do progresso na reciclagem de metal, a maioria das iniciativas de reciclagem ocorre no espaço de impressão 3D de polímero. Muitas empresas hoje produzem filamentos de plástico de plástico reciclado. Entre elas estão empresas como GreenGate3D, Filamentive, NefilaTek, Refil e RePLAy 3D que estão produzindo filamentos total ou parcialmente reciclados.



Em um exemplo, 30.000 garrafas de água foram recicladas em filamento para imprimir em 3D um estrutura pública em Dubai (acima). O pavilhão demonstra como a impressão 3D pode ser aplicada a estruturas criativas usando materiais que, de outra forma, seriam jogados fora.

Gerenciamento de resíduos na impressão 3D de resina

Embora os termoplásticos, como o filamento, possam ser fáceis de reciclar, simplesmente fundindo-os novamente, o processo para reciclar materiais de resina não existe atualmente. Os materiais de resina usados ​​em processos de estereolitografia e de jato de material tendem a ser viscosos, e uma reação química, como a aplicação de energia de um laser, faz com que os materiais se solidifiquem. O objeto resultante não pode ser reciclado de volta ao material original para reimpressão. Uma vez feito, está feito.

Isto significa que todos os resíduos da impressão 3D em resina, incluindo estruturas de suporte e impressões com falha, são essencialmente resíduos irrecuperáveis.

Gerenciamento de resíduos em SLS

A reutilização de pós de polímero usados ​​no processo de Sinterização Seletiva a Laser também não é totalmente direta. Normalmente, o pó de suporte não fundido em uma máquina SLS é o mesmo material usado para imprimir uma peça e tende a ser caro. Claro, isso não seria um problema se o pó pudesse ser 100 por cento reutilizado, o que atualmente é impossível.

Uma das razões é que, no processo SLS, os polímeros são expostos a altas temperaturas durante longos períodos de tempo, sofrendo alterações químicas que tornam suas características de sinterização muito menos previsíveis.

Atualmente, a única maneira de superar esse problema é misturar o pó "usado, mas não fundido" com cerca de 50 por cento de pó virgem, a fim de ser reutilizado. Para alguns pós de alto desempenho como o PEEK, a taxa de atualização é drasticamente reduzida e, em alguns casos, nenhum pó em excesso pode ser reutilizado.

Conforme estimado por um provedor de serviços, de 500 kg de PA 2200 (náilon) em pó que compra por mês, '25% torna-se parte, 25% é resíduo e 50% é reutilizado para atualizar a próxima construção '.




A introdução de uma máquina que pode usar material de suporte barato e um segundo material para impressão de peças pode tornar o processo SLS muito mais sustentável. Uma empresa que está desenvolvendo essa solução é a Aerosint, uma start-up belga que desenvolveu uma tecnologia SLS de deposição de pó múltiplo.

No entanto, a tecnologia da Aerosint ainda não foi comercializada, então levará algum tempo para veja como o processo da Aerosint é viável e avalie suas implicações ambientais.

Consumo de energia na impressão 3D

Qualquer processo industrial requer energia para funcionar, incluindo a impressão 3D. Do ponto de vista da sustentabilidade, as taxas de consumo de energia estão diretamente relacionadas às considerações ambientais, como as emissões de CO2. A impressão 3D, especialmente com metais, não é de forma alguma uma tecnologia de baixo consumo de energia. No entanto, alguns estudos mostram que pode ser mais eficiente em termos de energia do que a maioria dos processos de fabricação convencionais.

Um estudo conduzido pelo fabricante de impressoras 3D de metal, Digital Alloys, comparou o consumo de energia de diferentes tecnologias de impressão 3D de metal com usinagem CNC. Na fase de fabricação, o consumo de energia é realmente maior com os processos de impressão 3D de metal, especialmente a laser PBF.

Porém, ao se considerar diversos fatores, como o desperdício de material, a possibilidade de reciclagem e pós-processamento do material, ficou demonstrado que a usinagem é o processo que mais consome energia, devido à quantidade de desperdício de material - (no exemplo da Digital Alloys era mais de 90 por cento).




Dito isto, nem todos concordam que a impressão 3D em metal é mais eficiente em termos de energia do que as tecnologias tradicionais.

Timothy Gutowski, chefe do grupo de pesquisa de Manufatura Benigna do Meio Ambiente (EBM) do MIT, afirma que "os processos aditivos tendem a consumir mais energia ... porque são mais lentos. Eles usam muita energia para produzir a mesma quantidade de produto.

Na verdade, a maioria dos processos de impressão 3D consomem cerca de sete ordens de magnitude mais energia do que os processos de manufatura convencionais de alto volume ', explica ele em uma entrevista ao The Fabricator.

A verdade, como sempre, está em algum lugar no meio. Embora a impressão 3D possa consumir muita energia, escolher o aplicativo adequado para a tecnologia e otimizar seu design ajudará a compensar o alto consumo de energia. Isso também resultará em um sistema geral de eficiência energética, onde esta parte será usada.

Rumo à sustentabilidade

Com tantas tecnologias AM disponíveis, não há uma resposta simples para a questão da sustentabilidade da impressão 3D. Alguns processos têm a desvantagem de materiais não recicláveis, enquanto outros são afetados por alto consumo de energia.

O que é encorajador, no entanto, é o fato de que a impressão 3D tende a economizar mais recursos, especialmente em comparação com tecnologias subtrativas. E também abre a porta para projetos mais eficientes que contribuem para reduzir os requisitos de fabricação e estoque e, em última análise, ajudam a reduzir o consumo de combustível.

Nosso veredicto é que a impressão 3D não é uma tecnologia totalmente "verde", mas com a abordagem certa, pode chegar mais perto de se tornar uma solução de manufatura sustentável incrivelmente poderosa.