Cos'è il PHA, e potrebbe essere il materiale più sostenibile per la stampa 3D?

Credo che questo tipo di materiale sia incredibilmente importante per la comunità della stampa 3D. Uno dei motivi è che spesso servono dei supporti per stampare oggetti complessi, e tutto quel materiale finisce tra i rifiuti, insieme a brim, stampe di prova e stampe fallite.

Molti stanno valutando il riciclo: triturare le vecchie stampe ed estrudere nuovo filamento. Ma è un processo pieno di difficoltà e non è così semplice come sembra. Anche quando funziona, richiede un investimento che può andare bene per un grande studio. Per un piccolo maker con una sola stampante, spesso non è conveniente.

Ecco perché il PHA mi interessa così tanto. È di origine biologica al 100% e biodegradabile in quasi tutti gli ambienti naturali. Ma prima di approfondire, diamo un'occhiata al materiale più diffuso nella nostra comunità: il PLA.

Il PLA ha bisogno del calore di un impianto di compostaggio industriale, tra i 50 e i 65 °C circa, per decomporsi nel giro di qualche settimana. Nel suolo lo stesso processo può richiedere anni, e gli studi in acqua di mare hanno rilevato una degradazione scarsa o nulla (Catarci Carteny & Blust, 2021).

Anche se è di origine biologica, il PLA è davvero biodegradabile solo negli impianti di compostaggio industriale. In natura non ci sono molte ricerche che dimostrino che si degradi rapidamente; probabilmente resterà nell'ambiente per moltissimo tempo. E comunque molte zone non hanno i sistemi di raccolta o gli impianti di compostaggio per gestirlo.

«Di origine biologica» ti dice da dove viene un materiale. «Biodegradabile» ti dice dove può finire a fine vita. Il PLA è la prima cosa, ma solo in parte la seconda.

A differenza delle plastiche tradizionali derivate dai combustibili fossili, il PHA nasce da un processo naturale di fermentazione.

Penso che il PHA sia un materiale di gran lunga migliore del PLA, sia per caratteristiche sia per sostenibilità. Per capire perché, conviene vedere come viene prodotto.

I produttori nutrono dei microrganismi, come i batteri, con zuccheri e oli naturali, e i batteri accumulano il PHA nelle loro cellule come riserva di energia. È quasi un «grasso dei batteri», come lo chiama colorFabb. Il PHA viene poi estratto e trasformato in pellet e filamento.

Essendo naturale al 100%, il PHA è un materiale davvero circolare:

1. 1Le piante forniscono gli zuccheri e gli oli.
2. 2I batteri li trasformano in PHA e lo accumulano nelle loro cellule.
3. 3Il PHA viene estratto e trasformato in filamento.
4. 4Stampiamo un oggetto e lo usiamo.
5. 5A fine vita, i microrganismi mangiano di nuovo il PHA e lo scompongono in CO₂ e acqua.
6. 6Le piante assorbono questa CO₂ e il ciclo ricomincia.

Quando non ti serve più un oggetto, i microrganismi possono mangiarlo di nuovo, scomponendolo in CO₂, acqua e biomassa. Secondo colorFabb, l'allPHA lo fa senza lasciare microplastiche.

Non succede dall'oggi al domani, però. La velocità dipende dallo spessore del pezzo, dalla temperatura, dall'umidità e dall'attività microbica. Un meta-studio sulle ricerche in ambiente marino ha stimato che una bottiglia d'acqua in PHA impiega da 1,5 a 3,5 anni per biodegradarsi completamente in mare (Dilkes-Hoffman et al., 2019). L'acqua fredda rallenta il processo: in un test di sei mesi in un mare temperato simulato, i film di PHA mostravano solo i primi segni di degrado (Catarci Carteny & Blust, 2021).

Per me è questo il vero vantaggio: se un pezzo in PHA finisce in natura, può davvero tornare alla natura. Non è una scusa per buttare via le stampe, ma nel peggiore dei casi è molto meglio del PLA.

Ho stampato in 3D questo paralume con il filamento allPHA di colorFabb. Il processo non è semplice come con il PLA. Il materiale soffre di warping durante la stampa, quindi per una buona adesione al piatto servono brim e colla.

Un'altra grande differenza è che non serve il piatto riscaldato. Ho impostato la temperatura del piatto a 0 °C, il che significa semplicemente che il riscaldamento resta spento. Sembra strano, ma è ciò di cui il PHA ha bisogno: un piatto riscaldato innesca la cristallizzazione nei primi strati, e questo porta al warping. In più, un piatto freddo fa risparmiare energia a ogni stampa.

Inoltre, la velocità di stampa è molto più bassa che con il PLA. Per compensare questa lentezza, ho stampato il paralume con un ugello da 0,8 mm. Un ugello più largo deposita più materiale a ogni passata, quindi la stampa finisce prima, anche a bassa velocità.

Impostazioni di stampa consigliate per il PHA

• Temperatura dell'ugello

  Punto di partenza

  190–200 °C

  Note

  Parti da metà intervallo e regola in base al tuo hotend

• Temperatura del piatto

  Punto di partenza

  Freddo, riscaldamento spento

  Note

  Un piatto riscaldato innesca la cristallizzazione e deforma i primi strati

• Adesione al piatto

  Punto di partenza

  Adesivo (spray 3DLac o colla vinilica diluita) e brim

  Note

  colorFabb usa circa 20 linee di brim per evitare che gli angoli si sollevino

• Ventola di raffreddamento del pezzo

  Punto di partenza

  100%, dallo strato 2 o 3

  Note

  Smaltire in fretta il calore tiene sotto controllo la cristallizzazione

• Velocità di stampa

  Punto di partenza

  40–80 mm/s

  Note

  Stampa molto più lenta che con il PLA; un ugello da 0,8 mm aiuta a recuperare tempo

• Retrazione

  Punto di partenza

  Un po' più bassa che per il PLA

  Note

  Piccoli vuoti nella parete esterna indicano una retrazione troppo alta

• Essiccazione

  Punto di partenza

  Non necessaria

  Note

  Il PHA assorbe poca umidità

Punti di partenza tratti dalle impostazioni di stampa dell'allPHA e dalla scheda tecnica di colorFabb. Affinali per la tua stampante.

Anche se il processo è un po' difficile, penso che questo materiale abbia un grande potenziale. È molto robusto e resiste a temperature oltre i 120 °C senza deformarsi. La scheda tecnica di colorFabb indica per l'allPHA una temperatura di inflessione sotto carico (HDT) di 153 °C, e l'azienda riporta un'ottima adesione tra gli strati.

Per le lampade non è cosa da poco. Il PLA inizia ad ammorbidirsi tra i 44 e i 60 °C circa, quindi il PHA ti dà molto più margine vicino a una fonte di luce. Qualunque materiale tu scelga, usa una lampadina LED: scalda molto meno di una alogena o a incandescenza.

• Ottenuto da

  PHA (colorFabb allPHA)

  Zuccheri e oli fermentati da batteri; di origine biologica al 100%

  PLA

  Zuccheri vegetali fermentati, ad esempio dal mais; di origine biologica

• Dove si biodegrada

  PHA (colorFabb allPHA)

  Suolo, acqua dolce e mare

  PLA

  Solo nel compostaggio industriale, a circa 50–65 °C

• Tempi di biodegradazione

  PHA (colorFabb allPHA)

  Da qualche mese a qualche anno; circa 1,5–3,5 anni per una bottiglia in mare

  PLA

  Settimane nel compost industriale; anni o più in natura

• Resistenza al calore

  PHA (colorFabb allPHA)

  Stabile oltre i 120 °C (HDT 153 °C)

  PLA

  Si ammorbidisce a circa 44–60 °C

• Piatto di stampa

  PHA (colorFabb allPHA)

  Freddo, riscaldamento spento

  PLA

  Riscaldato

• Velocità di stampa

  PHA (colorFabb allPHA)

  40–80 mm/s

  PLA

  Molto più veloce sulle stampanti moderne

• Facilità di stampa

  PHA (colorFabb allPHA)

  Più difficile: soffre di warping, servono colla e brim

  PLA

  Facile e tollerante agli errori

È di origine biologica al 100% e, a differenza del PLA, può decomporsi nel suolo, in acqua dolce e in mare.

I compromessi ci sono davvero. È più lento e più capriccioso da stampare, e la sua produzione costa più di quella del PLA (Catarci Carteny & Blust, 2021). Ma per un oggetto come una lampada, che stampi una volta e tieni per anni, penso che ne valga la pena.

Se vuoi stampare in 3D questa lampada, trovi i file su e-leora.com. Ogni progetto della libreria Leora è disponibile in file STL, OBJ e 3MF, con progetti 3MF pronti per Bambu Studio e OrcaSlicer e istruzioni di stampa dettagliate per ogni modello. C'è anche l'opzione della licenza commerciale, così puoi stampare e vendere le lampade che realizzi (vedi le licenze).

Fammi sapere cosa ne pensi del PHA e cos'altro vorresti imparare sulla stampa 3D! Lascia un commento sotto il video o mandaci un messaggio.