Stampa 3D e l’impatto sull’ambiente

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Uno studio condotto presso la Michigan University dimostra che gli oggetti creati con le stampanti 3D  richiedono dal 41% al 74% in meno di energia rispetto alle tradizionali produzioni manifatturiere.
Il modello produttivo della prima rivoluzione industrialeha fatto si che i centri di produzione si centralizzassero, crescendo nel tempo. Ma con con l’abbassamento dei prezzi delle stampanti 3D si potrebbe tornare ad un modello di produzione decentralizzatp.

Megan Kreiger e Joshua M. Pearce del Michigan Tecnology University hanno fatto uno studio comparativo sui consumi di energia elettrica e di gas a effetto serra tra i sistemi manufatturieri centralizzati e distribuiti. Lo studio si è concentrato sulla produzione di piccoli prodotti di plastica, perché sono perfettamente adatti alla produzione attraverso le comuni stampanti 3D da casa.

Plastica, plastica e ancora plastica

Attualmente, la plastica è uno dei materiali più utilizzati nelle produzioni nei paesi in via di sviluppo dove il costo del lavoro è molto basso. Successivamente i pezzi prodotti vengono spediti in tutto il mondo. In termini di consumo energetico, la stampa 3D “a domicilio” ha l’evidente vantaggio di evitare i costi di trasporto internazionali. Un altro fattore importante è il miglioramento nell’utilizzo dei materiali nei processi additivi, dove gli scarti sono prossimi allo zero.

Il metodo convenzionale per creare componenti in plastica è quello di iniettare il materiale plastico riscaldato in uno stampo. Lo stampaggio ad iniezione lascia poco spazio per la manipolazione del materiale e le parti sono sempre in plastica solida. Kreiger e Pearce scoperto che nella maggior parte degli oggetti stampati in 3D una percentuale di riempimento del 25% o meno è sufficiente a mantenere l’integrità strutturale del prodotto. Inoltre, la stampa 3D permette di creare forme complesse in una singola sessione, come parti e strutture cave in movimento, risparmiando quindi sull’energia consumata successivamente da macchinari per la foratura e il montaggio.

Per confrontare la produzione distribuita e quella convenzionale Kreiger e Pearce, hanno analizzato il ciclo di vita di tre prodotti: uno spremiagrumi, un blocco di costruzione per bambini e un getto d’acqua. Per ogni prodotto hanno calcolato il fabbisogno energetico totale secondo la tecnica cradle-to-grave. La LCA tradizionale comprende l’estrazione delle materie prime nel paese di produzione, la produzione di massa e il trasporto internazionale in un magazzino negli Stati Uniti. La LCA distribuito comprende l’estrazione delle materie prime negli Stati Uniti, il trasporto interno e la produzione a domicilio. I ricercatori hanno anche sperimentato con stampanti 3D ad energia solare. Qui hanno ottenuto il miglior risultato, risparmiando il 74% di energia rispetto alla produzione convenzionale. Per quanto riguarda l’elettricità da fonti non rinnovabili, il miglior risultato è stato del 64%.

In un articolo Melba Kurman, e Hod Lipson dichiarano: “La realtà di oggi è che la tecnologia non c’è ancora. Nonostante il potenziale di produzione di additivi per promuovere la produzione pulita, le tecnologie di stampa 3D non sono ancora a basso impatto ambientale. Una stampante 3D – non importa che tipo di materia prima stia lavorando – è un maiale di energia. La ricerca presso la Loughborough University nel Regno Unito (in uno studio denominato Progetto Atkins) ha rivelato che il processo di stampa 3D consuma una quantità spaventosa di energia elettrica. I ricercatori hanno confrontato le stampanti di livello industriale con le presse ad iniezione. Hanno imparato che le stampanti 3D che utilizzano calore o un laser per fondere la plastica consumano un’energia elettrica da 50 a 100 volte in più di uno stampaggio ad iniezione per fare un oggetto dello stesso peso.

Un altro impatto ambientale non positivo del 3D printing è la sua forte dipendenza delle materie plastiche. La plastica è raramente una buona notizia per quanto riguarda l’ambiente, indipendentemente da ciò che è coinvolto nei processi di produzione. Tuttavia, per quanto possa sembrare strano, lo stampaggio ad iniezione (il metodo tradizionale usato per la fabbricazione di oggetti in plastica) è in realtà abbastanza pulito nel senso che lascia dietro di pochissimi pezzi di plastica non utilizzati. Al contrario, le stampanti 3D di tipo industriale che utilizzano polimeri in polvere o fusi lasciano una notevole quantità di materiale grezzo non utilizzata nel letto di stampa. Il sottoprodotto di plastica lasciato in un processo di stampa a volte può essere riutilizzato, ma più in genere, le sue proprietà materiali sono danneggiate rendendolo inutilizzabile. Un barlume di speranza è offerto da una stampa di plastica a base di mais chiamato PLA che è biodegradabile (anche se il suo processo di biodegradazione richiede molti anni).

I fumi nocivi e un nuovo tipo di inquinamento

Ci sono voluti anni per dimostrare che il fumo passivo è pericoloso per la nostra salute. Una recente ricerca innovativa condotta da Brent Stephens suggerisce che i fumi di stampa di seconda mano contengono sottoprodotti tossici emessi quando la plastica viene riscaldata a temperature elevate. Per anni, gli appassionati di stampa 3d hanno sottolineato il fatto che alcune delle materie plastiche per la stampa 3D emanano un piacevole, accogliente odore, simile ai chicchi di mais cucinati. Per vedere se l’odore di plastica bruciata è dannoso per gli esseri viventi, Steele ha misurato la qualità dell’aria all’interno di un ufficio con l’aria condizionata, in cui cinque stampanti 3D da tavolo hanno realizzato piccoli oggetti di plastica (sia con ABS e plastica PLA) nel corso di due ore e mezza. L’analisi della qualità dell’aria ha rivelato che le stampanti 3D possono essere definiti come “alti emettitori” di quelli che sono conosciuti come “polveri sottili, ultra” o UFP. Secondo una relazione della Effects Institute Heath (HFI), in studi su animali e umani, sono stati rilevati effetti di UFP inclusi “i cambiamenti della funzione polmonare, infiammazione delle vie aeree, reazioni allergiche, effetti avanzati di trombogenici vascolari, la funzione endoteliale alterata, battito cardiaco alterato e frequenza cardiaca variata, accelerata aterosclerosi, e ha aumentato i marcatori di infiammazione del cervello.
“La buona notizia circa l’UFP emessa dalle poche stampanti 3D nello studio di Steele erano i livelli che più o meno come cucinare in casa. La cattiva notizia è che sono necessarie ulteriori ricerche su quanti UFP sono emessi dalle stampanti 3D casalinghe e l’impatto delle emissioni UFP in ambienti industriali di stampa 3D. Potrebbe essere saggio non lasciare non lasciare la stampante in esecuzione durante la notte nella camera da letto del vostro bambino. E se stampate plastica a casa o in ufficio, aprite una finestra e utilizzate un ventilatore per mantenere l’aria fresca.

La stampa 3D potrebbe un giorno favorire un nuovo tipo di inquinamento: la generazione rapida di spazzatura. Gli ingegneri addestrati a rispettare le loro materie prime vengono istruiti con “Pensaci due volte, tagliane una.” Quando la gente possiederà strumenti semplici di produzione, non è detto che rispetteranno il detto. Come quando si stampa una relazione su carta per rileggerla i designer potrebbero iniziare  a stampare un prototipo per ogni nuova versione del loro prodotto con conseguenze facilmente immaginabili.

Il vero potenziale della stampa 3D

Per liberare il potenziale della stampa 3D come tecnologia di produzione più verde, la chiave sarà quella di creare processi di produzione unici, più verdi, migliorando i cicli di vita dei prodotti. Forse uno dei benefici ambientali più promettenti della stampa 3D sarà il fatto che i disegni generati a computer aiutano a migliorare un prodotto nella sua forma, funzione, prestazioni e durata. Ad esempio, un aereo realizzato con componenti stampate in 3D, possiederà parti più leggere consumando di conseguenza meno carburante durante i voli.

Una produzione basata sulla stampa 3D potrebbe anche cambiare il ciclo di vita del prodotto, accorciando le catene di approvvigionamento globali, riducendo la quantità di carburante che è consumato per spedire i prodotti da un luogo all’altro. Una produzione in loco ridurrebbe anche i costi ambientali di mantenimento di un magazzino a temperatura controllata per conservare l’inventario. Il medico di famiglia può stampare un apparecchio acustico su misura per te quando ne hai bisogno. Il tuo meccanico di auto locale potrebbe stampare nuove parti per la tua auto, senza dover ordinare loro da un fornitore molto, molto lontano.

L’energia rinnovabile è la chiave per la produzione più verde. Tuttavia, la maggior parte delle fonti di energia rinnovabile oggi non possono ancora fornire (ad un prezzo ragionevole) l’incessante flusso affidabile di energia necessaria per alimentare le operazioni di produzione di massa. Che cosa succede se le piccole “esposioni” di energia rinnovabile potessero essere applicate a “esplosioni” di produzione.

Gli informatici chiamano la trasmissione di segnali elettrici di dimensioni notevolmente differenti “comunicazione burst”. Perché allora non pensare ad un futuro in cui “l’energia burst” possa essere applicata ad una “produzione 3D burst”.

Nonostante i miglioramenti nelle tecnologie di storage e le reti intelligenti di energia, l’energia rinnovabile è oggi sempre meno stabile se confrontata a quella prodotta grazie all’impiego di gas o carbone. Tuttavia, una stampante 3D è una macchina versatile e può funzionare con poche risorse. Un piccolo impianto di produzione 3D del futuro potrebbe eseguire diverse stampanti 3D, ciascuna delle quali in grado di costruire un ampio range di prodotti. Queste possono essere alimentate con stock di energia rinnovabile immagazzinata che regolano i cicli di produzione. Un giorno, sarebbe bello vedere servizi di stampa 3D flessibili che regolano il loro cicli di produzione in base alla quantità di energie rinnovabili disponibili.

Minacciata dalla quantità di spazzatura prodotta ogni giorno, l’umanità ha bisogno di trovare un equilibrio tra l’ambiente ed economia.
A differenza di quanto ci hanno fatto credere la stampa 3D non ha in se il concetto di tecnologia green ma con i dovuti miglioramenti deve essere considerata un fattore abilitante.”

 

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