Czym jest PHA i czy może być najbardziej ekologicznym materiałem do druku 3D?

Uważam, że taki materiał jest niezwykle ważny dla społeczności druku 3D. Jeden z powodów jest taki, że do druku złożonych obiektów często potrzebujemy podpór, a cały ten materiał ląduje w śmieciach, razem z brimami, testowymi wydrukami i tymi, które się nie udały.

Wiele osób interesuje się recyklingiem: mieleniem starych wydruków i wytłaczaniem z nich nowego filamentu. Ten proces jest jednak pełen wyzwań i wcale nie jest tak prosty, jak się wydaje. Nawet kiedy działa, wymaga inwestycji, która może mieć sens w dużym studiu. Dla małego twórcy z jedną drukarką często się to po prostu nie opłaca.

Dlatego tak bardzo interesuje mnie PHA. Jest w 100% biopochodny i biodegradowalny w niemal każdym środowisku naturalnym. Zanim jednak wejdziemy w szczegóły, przyjrzyjmy się najpopularniejszemu materiałowi w naszej społeczności: PLA.

PLA potrzebuje ciepła przemysłowej kompostowni, około 50–65 °C, żeby rozłożyć się w ciągu kilku tygodni. W glebie ten sam proces może trwać latami, a badania w wodzie morskiej wykazały niewielką degradację lub jej brak (Catarci Carteny & Blust, 2021).

Choć PLA jest biopochodny, naprawdę biodegradowalny jest tylko w przemysłowych kompostowniach. Niewiele badań dowodzi, że w naturze rozkłada się szybko; prawdopodobnie pozostanie w środowisku przez bardzo długi czas. Poza tym w wielu regionach i tak brakuje systemów zbiórki czy infrastruktury kompostowania, które mogłyby go przyjąć.

„Biopochodny” mówi, skąd materiał pochodzi. „Biodegradowalny” mówi, dokąd może trafić pod koniec swojego życia. PLA spełnia pierwszy warunek, ale drugi tylko częściowo.

W przeciwieństwie do tradycyjnych tworzyw sztucznych z paliw kopalnych PHA powstaje w naturalnym procesie fermentacji.

Uważam, że PHA to dużo lepszy materiał niż PLA, zarówno pod względem właściwości, jak i ekologii. Żeby zrozumieć dlaczego, warto przyjrzeć się temu, jak powstaje.

Producenci karmią mikroorganizmy, na przykład bakterie, naturalnymi cukrami i olejami, a bakterie magazynują PHA w swoich komórkach jako zapas energii. To działa prawie jak „bakteryjny tłuszcz”, jak to ujmuje colorFabb. Następnie PHA jest ekstrahowany i przetwarzany na granulat i filament.

Ponieważ PHA jest w 100% naturalny, jego obieg naprawdę się zamyka:

1. 1Rośliny dostarczają cukrów i olejów.
2. 2Bakterie przetwarzają je w PHA i magazynują go w swoich komórkach.
3. 3PHA jest ekstrahowany i przerabiany na filament.
4. 4Drukujemy z niego produkt i go używamy.
5. 5Pod koniec życia produktu mikroorganizmy znów zjadają PHA i rozkładają go na CO₂ i wodę.
6. 6Rośliny pobierają ten CO₂ i cykl zaczyna się od nowa.

Kiedy produkt nie jest ci już potrzebny, mikroorganizmy mogą go znów zjeść, rozkładając go na CO₂, wodę i biomasę. Jak podaje colorFabb, allPHA rozkłada się przy tym bez pozostawiania mikroplastiku.

Nie dzieje się to jednak z dnia na dzień. Tempo zależy od grubości części, temperatury, wilgotności i aktywności mikroorganizmów. Metaanaliza badań w środowisku morskim oszacowała, że butelka na wodę z PHA potrzebuje od 1,5 do 3,5 roku, żeby całkowicie ulec biodegradacji w oceanie (Dilkes-Hoffman et al., 2019). Zimna woda spowalnia ten proces: w sześciomiesięcznym teście w symulowanym morzu strefy umiarkowanej folie z PHA wykazały tylko początkowe oznaki starzenia (Catarci Carteny & Blust, 2021).

Dla mnie to jest jego prawdziwa przewaga: jeśli część z PHA trafi do natury, naprawdę może do niej wrócić. To nie jest wymówka, żeby wyrzucać wydruki, ale taki najgorszy scenariusz jest dużo lepszy niż w przypadku PLA.

Ten abażur wydrukowałem z allPHA od colorFabb. Druk nie jest tak łatwy jak z PLA. Materiał ma skłonność do warpingu (podnoszenia się rogów) w trakcie druku, więc brim i klej są konieczne, żeby wydruk dobrze trzymał się stołu.

Kolejna duża różnica: podgrzewany stół nie jest potrzebny. Ustawiłem temperaturę stołu na 0 °C, co po prostu oznacza, że grzałka pozostaje wyłączona. Brzmi to dziwnie, ale właśnie tego potrzebuje PHA: podgrzewana płyta wywołuje krystalizację w pierwszych warstwach, a to prowadzi do warpingu. Dodatkowy plus: zimny stół oszczędza energię przy każdym wydruku.

Poza tym prędkość druku jest dużo niższa niż przy PLA. Żeby to nadrobić, do tego abażuru użyłem dyszy 0,8 mm. Szersza dysza nakłada więcej materiału przy każdym przejściu, więc wydruk kończy się szybciej, nawet przy niskiej prędkości.

Zalecane ustawienia druku PHA

• Temperatura dyszy

  Punkt wyjścia

  190–200 °C

  Uwagi

  Zacznij od środka zakresu i dostosuj do swojego hotendu

• Temperatura stołu

  Punkt wyjścia

  Zimny stół, grzałka wyłączona

  Uwagi

  Podgrzewany stół wywołuje krystalizację i powoduje warping pierwszych warstw

• Przyczepność do stołu

  Punkt wyjścia

  Klej (3DLac w sprayu albo rozcieńczony klej do drewna) i brim

  Uwagi

  colorFabb stosuje około 20 linii brimu, żeby rogi się nie podnosiły

• Wentylator chłodzenia wydruku

  Punkt wyjścia

  100%, od 2. lub 3. warstwy

  Uwagi

  Szybkie odprowadzanie ciepła trzyma krystalizację pod kontrolą

• Prędkość druku

  Punkt wyjścia

  40–80 mm/s

  Uwagi

  Dużo wolniej niż PLA; dysza 0,8 mm pomaga nadrobić czas

• Retrakcja

  Punkt wyjścia

  Nieco mniejsza niż przy PLA

  Uwagi

  Małe szczeliny w zewnętrznej ściance oznaczają, że retrakcja jest za duża

• Suszenie

  Punkt wyjścia

  Niepotrzebne

  Uwagi

  PHA nie chłonie dużo wilgoci

Wartości wyjściowe pochodzą z ustawień druku allPHA i karty technicznej colorFabb. Dopracuj je pod swoją drukarkę.

Choć druk bywa trochę trudny, uważam, że ten materiał ma ogromny potencjał. Jest bardzo wytrzymały i znosi temperatury powyżej 120 °C bez odkształceń. Karta techniczna colorFabb podaje dla allPHA temperaturę ugięcia pod obciążeniem (HDT) 153 °C, a producent informuje o doskonałej przyczepności międzywarstwowej.

W przypadku lamp to ma duże znaczenie. PLA zaczyna mięknąć w okolicach 44–60 °C, więc PHA daje ci dużo większy zapas w pobliżu źródła światła. Niezależnie od tego, z jakiego materiału drukujesz, używaj żarówki LED: nagrzewa się dużo mniej niż halogenowa czy tradycyjna żarowa.

• Z czego powstaje

  PHA (colorFabb allPHA)

  Z cukrów i olejów fermentowanych przez bakterie; w 100% biopochodny

  PLA

  Z fermentowanych cukrów roślinnych, np. z kukurydzy; biopochodny

• Gdzie ulega biodegradacji

  PHA (colorFabb allPHA)

  W glebie, słodkiej wodzie i oceanie

  PLA

  Tylko w kompostowniach przemysłowych, w temperaturze około 50–65 °C

• Czas biodegradacji

  PHA (colorFabb allPHA)

  Od miesięcy do kilku lat; około 1,5–3,5 roku dla butelki w morzu

  PLA

  Tygodnie w kompoście przemysłowym; lata lub dłużej w naturze

• Odporność na temperaturę

  PHA (colorFabb allPHA)

  Stabilny powyżej 120 °C (HDT 153 °C)

  PLA

  Mięknie w temperaturze około 44–60 °C

• Stół

  PHA (colorFabb allPHA)

  Zimny, grzałka wyłączona

  PLA

  Podgrzewany

• Prędkość druku

  PHA (colorFabb allPHA)

  40–80 mm/s

  PLA

  Dużo wyższa na nowoczesnych drukarkach

• Łatwość druku

  PHA (colorFabb allPHA)

  Trudniejszy: ma skłonność do warpingu, wymaga kleju i brimu

  PLA

  Łatwy i wybaczający błędy

Jest w 100% biopochodny i w przeciwieństwie do PLA może się rozłożyć w glebie, słodkiej wodzie i oceanie.

Kompromisy są realne. Drukuje się go wolniej, jest bardziej kapryśny, a jego produkcja kosztuje więcej niż produkcja PLA (Catarci Carteny & Blust, 2021). Ale przy przedmiocie takim jak lampa, którą drukujesz raz i masz przez lata, uważam, że ten kompromis się opłaca.

Jeśli chcesz wydrukować tę lampę w 3D, pliki znajdziesz na e-leora.com. Każdy projekt z biblioteki Leora jest dostępny w plikach STL, OBJ i 3MF, przy czym projekty 3MF są gotowe do użycia w programach Bambu Studio i OrcaSlicer, a do każdego modelu dołączona jest szczegółowa instrukcja druku. Jest też opcja licencji komercyjnej, dzięki której możesz drukować i sprzedawać wykonane przez siebie lampy (zobacz licencje).

Daj znać, co myślisz o PHA i czego jeszcze chcesz się dowiedzieć o druku 3D! Zostaw komentarz pod filmem albo napisz do nas.