Polsko-niemiecki zespół złożony z naukowców i specjalistów z firm z sektora technologii przyrostowych prowadzi badania nad metodą regeneracji zużytych proszków poliamidowych. Pozwoli to na ponowne wykorzystanie w tzw. druku 3D tysięcy ton tego materiału, które każdego roku stają się trudnym do zagospodarowania odpadem. Liderem grupy badawczej jest nasza uczelnia.

Badania dotyczą najpopularniejszej grupy proszków tworzyw sztucznych wykorzystywanych w procesie selektywnego laserowego spiekania (w skrócie z jęz. ang. selective laser sintering, SLS) – czyli technologii przyrostowej, popularnie nazywanej drukiem 3D. Metoda polega na spiekaniu warstwa po warstwie tworzywa sztucznego na podstawie cyfrowego modelu.

SLS to powszechnie używana technologia, m.in. w sektorze motoryzacyjnym i do produkcji wyrobów medycznych. Stosuje się ją zwłaszcza do prototypowania i wytwarzania w krótkich seriach np. elementów i części różnych maszyn i urządzeń. Jest bardzo popularna w przemyśle ze względu na dokładność produkowanych wyrobów, ich dobre właściwości mechaniczne i dużą swobodę projektowania. Nie jest jednak pozbawiona wad.

– Po każdym procesie produkcyjnym pozostaje około 70-80 proc. odpadu, czyli proszku zdegradowanego termicznie – tłumaczy dr inż. Patrycja Szymczyk-Ziółkowska z Katedry Technologii Laserowych, Automatyzacji i Organizacji Produkcji. – Nie można go wykorzystać wprost do ponownej produkcji. Zwykle stosuje się mieszkankę 50 proc. nowego i 50 proc. odpadowego proszku poliamidowego. W kolejnym procesie znów większość z tego pozostanie odpadem, a to oznacza, że w większej skali pojawia się problem składowania ogromnych ilości tego materiału lub jego utylizacji. Dla jednej firmy w ujęciu rocznym to nawet kilka ton odpadu, który jest niewykorzystany.

Dlatego naukowcy z Polski i Niemiec we współpracy z dwoma firmami z branży technologii przyrostowych rozpoczęli badania nad metodą regeneracji tych proszków. Ich wspólny projekt PowdeREUSE zyskał ponad milion euro dofinansowania od Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach sieci M-ERA.NET 3 Call.

Międzynarodowy zespół

Liderem inicjatywy jest Politechnika Wrocławska, a w pracach uczestniczą przedstawiciele firmy SondaSys i Zakładu Badawczego Przemysłu Piekarskiego oraz naukowcy z Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology. Na naszej uczelni pracami interdyscyplinarnego zespołu z wydziałów Mechanicznego i Chemicznego kieruje dr hab. inż. Tomasz Kurzynowski, prof. uczelni.

- W pracach naszego konsorcjum bierze udział zagraniczna firma, która opracowała już technologię recyklingu proszku po procesie SLS. Wiemy, że jest to recykling metodami bezrozpuszczalnikowymi, więc nie ma tam odczynników chemicznych, które zmieniałyby strukturę proszku, a sam proces jest opatentowany i szczegóły techniczne są objęte tajemnicą. Nie oznacza to jednak, że ta firma ma gotowy produkt do wykorzystania na skalę przemysłową – zaznacza dr inż. Michał Olejarczyk.

Jak tłumaczy naukowiec, to dopiero początek, bo teraz zespół badaczy musi ustalić, jakie będą optymalne parametry przetwarzania tego materiału w procesie wytwarzania, jakie powinny być proporcje dodawania go do mieszanki w materiale wsadowym itd.

- Innymi słowy: musimy opracować całą technologię jego przetwarzania tak, by móc zagwarantować firmom, że użycie go w produkcji będzie tak samo dobre, a być może w niektórych aspektach nawet lepsze, w porównaniu do obecnie stosowanych materiałów wsadowych – wyjaśnia mgr inż. Piotr Gruber.

Ekologia i ograniczenie kosztów

Badania zaczęły się od szczegółowej analizy natury degradacji proszków poliamidowych w procesie SLS oraz pełnej charakterystyki samego recyklatu dostarczonego przez firmę. Kolejnym etapem będą wielomiesięczne próby i testy dotyczące możliwości jego przetwarzania.

–  Będziemy sprawdzać każdy aspekt takich wyrobów ważny dla firm korzystających z technologii SLS w swojej produkcji, a zatem m.in. ich wytrzymałość, porowatość, dokładność geometryczną czy chropowatość powierzchni – opowiada mgr inż. Piotr Gruber.

W określeniu najlepszych parametrów składu i proporcji mieszaniny naukowcy będą weryfikować swoje założenia, drukując różne formy i kształty zarówno na urządzeniach w laboratorium Centrum Zaawansowanych Systemów Produkcyjnych PWr, jak na urządzeniach przemysłowych – w czym pomogą partnerzy projektu.

W ramach projektu ma także powstać stacja do przygotowania gotowej mieszaniny do produkcji, wykorzystującej zrecyklingowany proszek. Pracuje nad nią bydgoski Zakład Badawczy Przemysłu Piekarskiego, który do tej pory wykazał się ogromnym doświadczeniem w budowaniu aparatury dla sypkich produktów spożywczych.

– Dążymy do tego, żeby maksymalizować użycie proszku poliamidowego – podkreśla dr inż. Michał Olejarczyk – To bardzo ważne w kontekście ekologii, by zapobiec problemowi konieczności składowania odpadów poprodukcyjnych, ale istotne są także koszty takiej produkcji. Nieprzetworzony, czyli „świeży” proszek poliamidowy to stosunkowo drogi materiał. Kosztowne jest także składowanie i utylizacja proszków odpadowych. Ograniczenie tych wydatków będzie bardzo istotne dla przemysłu.

Projekt „Nowatorska metoda regeneracji proszków poliamidowych do ponownego wykorzystania w procesie selektywnego spiekania laserowego” zaczął się w 2022 r. i zakończy w przyszłym roku.

Na Politechnice Wrocławskiej prace toczą się w zespole, który tworzą: dr hab. inż. Tomasz Kurzynowski, prof. uczelni. (kierownik projektu), dr inż. Małgorzata Gazińska, dr inż. Patrycja Szymczyk-Ziółkowska, dr inż. Michał Olejarczyk, dr inż. Grzegorz Ziółkowski, mgr inż. Piotr Gruber, mgr inż. Anna Krokos, mgr inż. Emilia Grochowska.