Vad är PHA, och kan det vara det mest hållbara materialet för 3D-utskrift?

Jag tror att den här typen av material är otroligt viktig för oss i 3D-printingvärlden. En anledning är att vi ofta behöver support för att printa komplexa föremål, och allt det materialet blir avfall, tillsammans med brim, testutskrifter och felutskrifter.

Många tittar på återvinning: att mala ned gamla utskrifter och extrudera nytt filament. Men den processen är full av utmaningar och inte alls så enkel som den låter. Även när den fungerar kräver den en investering som kan vara rimlig för en stor studio. För en liten skapare med bara en skrivare är det ofta inte lönsamt.

Det är därför jag är så intresserad av PHA. Det är 100 % biobaserat och biologiskt nedbrytbart i nästan alla naturliga miljöer. Men innan vi går djupare ska vi titta på det populäraste materialet i vår community: PLA.

PLA behöver värmen i en industriell komposteringsanläggning, runt 50–65 °C, för att brytas ned inom några veckor. I jord kan samma process ta flera år, och studier i havsvatten har funnit liten eller ingen nedbrytning (Catarci Carteny & Blust, 2021).

PLA är visserligen biobaserat, men det är bara verkligt biologiskt nedbrytbart i industriella komposteringsanläggningar. Det finns inte mycket forskning som visar att det bryts ned snabbt i naturen; det kommer sannolikt att finnas kvar i miljön mycket länge. Och många regioner saknar ändå de insamlingssystem eller den komposteringsinfrastruktur som skulle behövas för att ta hand om det.

”Biobaserat” säger var ett material kommer ifrån. ”Biologiskt nedbrytbart” säger vart det kan ta vägen när det har tjänat ut. PLA är det första, men bara delvis det andra.

Till skillnad från traditionell plast av fossila råvaror skapas PHA genom en naturlig fermenteringsprocess.

Jag tycker att PHA är ett betydligt bättre material än PLA, både när det gäller egenskaper och hållbarhet. För att förstå varför hjälper det att titta på hur det tillverkas.

Producenterna matar mikroorganismer, till exempel bakterier, med naturliga sockerarter och oljor, och bakterierna lagrar PHA i sina celler som en energireserv. Det fungerar nästan som ”bakteriefett”, som colorFabb uttrycker det. Sedan extraheras PHA:n och förädlas till granulat och filament.

Eftersom det är 100 % naturligt är PHA ett verkligt cirkulärt material:

1. 1Växter står för sockret och oljorna.
2. 2Bakterier omvandlar dem till PHA och lagrar det i sina celler.
3. 3PHA:n extraheras och görs till filament.
4. 4Vi printar en produkt och använder den.
5. 5När produkten har tjänat ut äter mikroorganismer upp PHA:n igen och bryter ned den till CO₂ och vatten.
6. 6Växterna tar upp denna CO₂, och kretsloppet börjar om.

När du är klar med en produkt kan mikroorganismer äta upp den igen och bryta ned den till CO₂, vatten och biomassa. Enligt colorFabb gör allPHA det utan att lämna mikroplaster efter sig.

Det sker dock inte över en natt. Hastigheten beror på detaljens tjocklek, temperatur, fukt och mikrobiell aktivitet. En metastudie av marin forskning uppskattade att en vattenflaska av PHA tar 1,5 till 3,5 år att brytas ned helt i havet (Dilkes-Hoffman et al., 2019). Kallt vatten saktar ned processen: i ett sex månader långt test i ett simulerat tempererat hav visade PHA-filmer bara tidiga tecken på åldring (Catarci Carteny & Blust, 2021).

För mig är det den verkliga fördelen: om en PHA-detalj hamnar i naturen kan den faktiskt återgå till naturen. Det är ingen ursäkt för att slänga utskrifter, men det är ett betydligt bättre värsta scenario än med PLA.

Jag 3D-printade den här lampskärmen med allPHA från colorFabb. Det är inte lika enkelt att printa som PLA. Materialet är känsligt för warping (att detaljen slår sig) under utskrift, så brim och lim behövs för god vidhäftning mot bädden.

En annan stor skillnad är att du inte behöver någon uppvärmd bädd. Jag satte bäddtemperaturen till 0 °C, vilket helt enkelt betyder att värmen är avstängd. Det låter konstigt, men det är vad PHA behöver: en uppvärmd platta sätter igång kristallisering i de första lagren, och det leder till warping. En bonus är att en kall bädd sparar energi vid varje utskrift.

Dessutom är utskriftshastigheten mycket lägre än med PLA. För att kompensera för den lägre hastigheten använde jag ett munstycke på 0,8 mm till den här lampskärmen. Ett bredare munstycke lägger ut mer material vid varje passage, så utskriften blir klar snabbare, även med låg hastighet.

Rekommenderade utskriftsinställningar för PHA

• Munstyckstemperatur

  Startvärde

  190–200 °C

  Kommentar

  Börja mitt i spannet och justera efter din hotend

• Bäddtemperatur

  Startvärde

  Kall, värmen avstängd

  Kommentar

  En uppvärmd bädd sätter igång kristallisering och får de första lagren att slå sig

• Bäddvidhäftning

  Startvärde

  Lim (3DLac-spray eller utspätt trälim) och brim

  Kommentar

  colorFabb använder ungefär 20 brimlinjer för att hindra hörnen från att lyfta

• Kylfläkt (part cooling)

  Startvärde

  100 %, från lager 2 eller 3

  Kommentar

  När värmen förs bort snabbt hålls kristalliseringen under kontroll

• Utskriftshastighet

  Startvärde

  40–80 mm/s

  Kommentar

  Mycket långsammare än PLA; ett munstycke på 0,8 mm hjälper dig att ta igen tiden

• Retraktion

  Startvärde

  Lite lägre än för PLA

  Kommentar

  Små glipor i ytterväggen betyder att retraktionen är för hög

• Torkning

  Startvärde

  Behövs inte

  Kommentar

  PHA drar inte åt sig mycket fukt

Startvärden från colorFabbs utskriftsinställningar för allPHA och tekniska datablad. Finjustera dem för din skrivare.

Även om processen är lite krånglig tror jag att materialet har stor potential. Det är väldigt segt och tål temperaturer på över 120 °C utan att deformeras. colorFabbs datablad anger en formbeständighetstemperatur (HDT) på 153 °C för allPHA, och företaget rapporterar utmärkt vidhäftning mellan lagren.

För lampor är det en stor sak. PLA börjar mjukna vid runt 44–60 °C, så PHA ger dig mycket mer marginal nära en ljuskälla. Oavsett vilket material du printar med bör du använda en LED-lampa: den blir mycket svalare än en halogen- eller glödlampa.

• Tillverkas av

  PHA (colorFabb allPHA)

  Socker och oljor som fermenteras av bakterier; 100 % biobaserat

  PLA

  Fermenterat växtsocker, till exempel från majs; biobaserat

• Var det bryts ned

  PHA (colorFabb allPHA)

  Jord, sötvatten och havet

  PLA

  Bara vid industriell kompostering, vid cirka 50–65 °C

• Nedbrytningstid

  PHA (colorFabb allPHA)

  Månader till några år; cirka 1,5–3,5 år för en flaska i havet

  PLA

  Veckor i industriell kompost; år eller längre i naturen

• Värmetålighet

  PHA (colorFabb allPHA)

  Stabilt över 120 °C (HDT 153 °C)

  PLA

  Mjuknar vid cirka 44–60 °C

• Bädd

  PHA (colorFabb allPHA)

  Kall, värmen avstängd

  PLA

  Uppvärmd

• Utskriftshastighet

  PHA (colorFabb allPHA)

  40–80 mm/s

  PLA

  Mycket snabbare på moderna skrivare

• Hur lätt det är att printa

  PHA (colorFabb allPHA)

  Svårare: slår sig, behöver lim och brim

  PLA

  Enkelt och förlåtande

Det är 100 % biobaserat och kan, till skillnad från PLA, brytas ned i jord, sötvatten och havet.

Det finns verkliga nackdelar. Det är långsammare och krångligare att printa, och det kostar mer att tillverka än PLA (Catarci Carteny & Blust, 2021). Men för något som en lampa, som du printar en gång och behåller i många år, tycker jag att det är värt det.

Om du vill 3D-printa den här lampan kan du hämta filerna på e-leora.com. Varje design i Leoras bibliotek finns som STL-, OBJ- och 3MF-filer, där 3MF-projekten är redo för Bambu Studio och OrcaSlicer, och varje modell har detaljerade utskriftsinstruktioner. Det finns också en kommersiell licens som tillval, så att du kan printa och sälja lamporna du gör (se licenser).

Berätta vad du tycker om PHA och vad mer du vill lära dig om 3D-utskrift! Lämna en kommentar på videon eller skicka ett meddelande till oss.