Wat is PHA, en is het misschien het duurzaamste materiaal voor 3D-printen?

Ik denk dat dit soort materiaal ontzettend belangrijk is voor de 3D-printcommunity. Eén reden is dat we vaak supportstructuren nodig hebben om complexe objecten te printen, en al dat materiaal belandt bij het afval, net als brims, testprints en mislukte prints.

Veel mensen verdiepen zich in recyclen: oude prints versnipperen en er nieuw filament van extruderen. Maar dat proces zit vol uitdagingen en is niet zo eenvoudig als het klinkt. Zelfs als het werkt, vraagt het een investering die voor een grote studio misschien prima is. Voor een kleine maker met maar één printer is het vaak niet rendabel.

Daarom ben ik zo geïnteresseerd in PHA. Het is 100% biobased en biologisch afbreekbaar in bijna elke natuurlijke omgeving. Maar voordat we er dieper in duiken, kijken we eerst naar het populairste materiaal in onze community: PLA.

PLA heeft de warmte van een industriële composteerinstallatie nodig, zo'n 50–65 °C, om binnen weken af te breken. In de bodem kan hetzelfde proces jaren duren, en studies in zeewater vonden weinig tot geen afbraak (Catarci Carteny & Blust, 2021).

PLA is weliswaar biobased, maar alleen in industriële composteerinstallaties echt biologisch afbreekbaar. Er is weinig onderzoek dat aantoont dat het in de natuur snel afbreekt; waarschijnlijk blijft het heel lang in het milieu. En veel regio's hebben sowieso niet de inzamelsystemen of de composteerinfrastructuur om het te verwerken.

‘Biobased’ vertelt je waar een materiaal vandaan komt. ‘Biologisch afbreekbaar’ vertelt je waar het aan het einde van zijn levensduur naartoe kan. PLA is het eerste, maar slechts gedeeltelijk het tweede.

Anders dan traditionele kunststoffen op basis van fossiele grondstoffen ontstaat PHA via een natuurlijk fermentatieproces.

Ik vind PHA een veel beter materiaal dan PLA, zowel qua eigenschappen als qua duurzaamheid. Om te begrijpen waarom, helpt het om te kijken hoe het wordt gemaakt.

Producenten voeden micro-organismen zoals bacteriën met natuurlijke suikers en oliën, en de bacteriën slaan PHA in hun cellen op als energiereserve. Het werkt bijna als “bacterievet”, zoals colorFabb het noemt. Dat PHA wordt daarna geëxtraheerd en verwerkt tot granulaat en filament.

Omdat het 100% natuurlijk is, is PHA een echt circulair materiaal:

1. 1Planten leveren de suikers en oliën.
2. 2Bacteriën zetten die om in PHA en slaan het op in hun cellen.
3. 3Het PHA wordt geëxtraheerd en tot filament verwerkt.
4. 4Wij printen een product en gebruiken het.
5. 5Aan het einde van zijn levensduur eten micro-organismen het PHA weer op en breken het af tot CO₂ en water.
6. 6Planten nemen die CO₂ op, en de kringloop begint opnieuw.

Als je een product niet meer gebruikt, kunnen micro-organismen het weer opeten en afbreken tot CO₂, water en biomassa. Volgens colorFabb gebeurt dat bij allPHA zonder dat er microplastics achterblijven.

Dat gaat alleen niet van de ene op de andere dag. De snelheid hangt af van de dikte van het onderdeel, de temperatuur, de vochtigheid en de microbiële activiteit. Een metastudie van marien onderzoek schatte dat een waterfles van PHA er in zee 1,5 tot 3,5 jaar over doet om volledig biologisch af te breken (Dilkes-Hoffman et al., 2019). Koud water vertraagt het proces: in een test van zes maanden in een nagebootste zee uit de gematigde zone vertoonden PHA-folies alleen beginnende verwering (Catarci Carteny & Blust, 2021).

Voor mij is dat het echte voordeel: als een PHA-onderdeel in de natuur belandt, kan het ook echt terugkeren naar de natuur. Dat is geen excuus om prints weg te gooien, maar als worstcasescenario is het veel beter dan PLA.

Ik heb deze lampenkap 3D-geprint met allPHA van colorFabb. Het printen gaat niet zo makkelijk als met PLA. Het materiaal is tijdens de print gevoelig voor warping (kromtrekken), dus een brim en lijm zijn nodig voor een goede hechting op het printbed.

Een ander groot verschil is dat je geen verwarmd printbed nodig hebt. Ik zet de bedtemperatuur op 0 °C, wat simpelweg betekent dat de verwarming uit blijft. Dat klinkt vreemd, maar het is precies wat PHA nodig heeft: een verwarmde plaat zet in de eerste lagen kristallisatie in gang, en dat leidt tot warping. Mooi meegenomen: een koud bed bespaart bij elke print energie.

Ook ligt de printsnelheid veel lager dan bij PLA. Om die lagere snelheid te compenseren, heb ik voor deze lampenkap een nozzle van 0,8 mm gebruikt. Een bredere nozzle legt bij elke baan meer materiaal neer, dus de print is sneller klaar, zelfs bij een lage snelheid.

Aanbevolen printinstellingen voor PHA

• Nozzletemperatuur

  Startwaarde

  190–200 °C

  Opmerkingen

  Begin in het midden van het bereik en stem af op je hotend

• Bedtemperatuur

  Startwaarde

  Koud, verwarming uit

  Opmerkingen

  Een verwarmd bed zet kristallisatie in gang en laat de eerste lagen kromtrekken

• Bedhechting

  Startwaarde

  Hechtmiddel (3DLac-spray of verdunde houtlijm) en een brim

  Opmerkingen

  colorFabb gebruikt zo'n 20 brimlijnen om te voorkomen dat de hoeken loskomen

• Koelventilator

  Startwaarde

  100%, vanaf laag 2 of 3

  Opmerkingen

  Snel warmte afvoeren houdt de kristallisatie onder controle

• Printsnelheid

  Startwaarde

  40–80 mm/s

  Opmerkingen

  Veel langzamer dan PLA; een nozzle van 0,8 mm helpt de tijd in te halen

• Retraction (intrekken)

  Startwaarde

  Iets lager dan bij PLA

  Opmerkingen

  Kleine gaatjes in de buitenwand betekenen dat de retraction te hoog is

• Drogen

  Startwaarde

  Niet nodig

  Opmerkingen

  PHA neemt weinig water op

Startwaarden uit de printinstellingen voor allPHA en het technische datablad van colorFabb. Stem ze fijn af op je eigen printer.

Het printen is dan wel wat lastig, maar ik denk dat dit materiaal veel potentie heeft. Het is heel taai en kan temperaturen van meer dan 120 °C doorstaan zonder te vervormen. Het datablad van colorFabb vermeldt voor allPHA een warmtevervormingstemperatuur (HDT) van 153 °C, en het bedrijf spreekt van een uitstekende laaghechting.

Voor lampen maakt dat veel uit. PLA begint rond 44–60 °C zacht te worden, dus PHA geeft je veel meer marge in de buurt van een lichtbron. Met welk materiaal je ook print: gebruik een LED-lamp, want die blijft veel koeler dan een halogeen- of gloeilamp.

• Gemaakt van

  PHA (colorFabb allPHA)

  Suikers en oliën, gefermenteerd door bacteriën; 100% biobased

  PLA

  Gefermenteerde plantensuikers, bijvoorbeeld uit maïs; biobased

• Waar het afbreekt

  PHA (colorFabb allPHA)

  Bodem, zoet water en zee

  PLA

  Alleen in industriële composteerinstallaties, bij zo'n 50–65 °C

• Afbraaktijd

  PHA (colorFabb allPHA)

  Maanden tot enkele jaren; zo'n 1,5–3,5 jaar voor een fles in zee

  PLA

  Weken in industriële compost; jaren of langer in de natuur

• Hittebestendigheid

  PHA (colorFabb allPHA)

  Vormstabiel boven 120 °C (HDT 153 °C)

  PLA

  Wordt zacht bij zo'n 44–60 °C

• Printbed

  PHA (colorFabb allPHA)

  Koud, verwarming uit

  PLA

  Verwarmd

• Printsnelheid

  PHA (colorFabb allPHA)

  40–80 mm/s

  PLA

  Veel sneller op moderne printers

• Printgemak

  PHA (colorFabb allPHA)

  Lastiger: trekt krom, heeft lijm en een brim nodig

  PLA

  Makkelijk en vergevingsgezind

Het is 100% biobased en kan, anders dan PLA, afbreken in de bodem, in zoet water en in zee.

Er zitten echte nadelen aan. Het print langzamer en is kieskeuriger, en de productie is duurder dan die van PLA (Catarci Carteny & Blust, 2021). Maar voor een object als een lamp, dat je één keer print en jarenlang houdt, vind ik die afweging het waard.

Wil je deze lamp zelf 3D-printen? Dan vind je de bestanden op e-leora.com. Elk ontwerp in de Leora-bibliotheek krijg je als STL-, OBJ- en 3MF-bestand. De 3MF-projecten zijn klaar voor Bambu Studio en OrcaSlicer, en bij elk model horen gedetailleerde printinstructies. Er is ook een commerciële licentie als optie, zodat je de lampen die je maakt mag printen en verkopen (bekijk de licenties).

Laat me weten wat je van PHA vindt en wat je nog meer wilt leren over het 3D-printproces! Reageer onder de video of stuur ons een bericht.