نایلون و توسعه پایدار، دو مولفه اصلی برای دست‌یابی به ساخت افزایشی قابل اعتماد

صاحب امتیاز: Sculpteo

      نایلون نوعی پلیمر مصنوعی است و به گروه پلی‌آمیدها (PA) تعلق دارد. در حوزه ساخت افزایشی نایلون به شکل رشته (به نام PA6) یافت و در فناوری FDM استفاده می‌شود، یا به شکل پودری (با نام‌های PA11 و PA12) وجود دارد که در روش هایی مانند تف‌جوشی لیزری انتخابی (SLS) و فناوری ذوب مولتی‌جت شرکت HP کاربرد دارد. نایلون ماده‌ای است که در صنعت پرینت سه بعدی بسیار استفاده می‌شود، اما گاهی اختلاف نظر و بحث درباره آن، به ویژه بحث پایداری نایلون مطرح می‌شود. مسئله پایداری نایلون از جنبه‌های متفاوتی قابل بررسی است؛ برای مثال، ترکیب پلی‌آمیدها، میزان بازیافت‌پذیری و استفاده دوباره از مواد و انتشار گاز در طول فرآیند تولید. به علاوه دغدغه محیط زیست این روزها برای بسیاری از شرکت‌ها اهمیت بسیاری پیدا کرده و نیازمند توجه بیشتری است. در ادامه مفصل‌تر به این مورد پرداخت می‌شود.

      در بحث پرینت سه بعدی نایلون، بدیهی است که میزان اثر گذاری هر ماده نایلونی بر محیط زیست به نوع پلی‌آمید، منشا و ترکیب آن بستگی دارد. برای فهم بهتر نقش این ماده در صنعت، مشابه ردپای کربن، قصد داریم ویژگی‌های منحصر به فرد و خواص نایلون را در دو شکل پودر و رشته تحلیل کنیم. رشته‌های PA6  چگونه پرینت می‌شوند؟ پودرهای PA11 و PA12 چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟ نوع کاربرد نایلون و پایداری نایلون چه جایگاهی در حوزه صنعت پرینت سه بعدی دارد؟ و آیا جایگزین‌های کارآمدتری وجود دارند یا خیر؟ با پاسخ به همه این سوالات در ادامه، خواهان این هستیم که به درک بهتری از میزان پایداری نایلون برسیم و همچنین، به تصویر بهتری از مسیر پیش روی صنعت تولید دست یابیم.

صاحب امتیاز: FICEP S3

رشته PA6، رشته مورد نیاز فناوری پرینت سه بعدی

      رشته PA6 یک پلیمر ترموپلاستیک و نیمه بلوری است؛ این رشته یکی از پر استفاده‌ترین پلی‌آمیدهایی است که در همه دنیا کاربردهای گسترده‌ای دارد. نقطه ذوب PA6، 220 درجه سلسیوس است و به دلیل نرخ مطلوبی که عملکرد آن نسبت به هزینه آن دارد، طیف وسیعی از کاربردها را شامل می‌شود. سال‌های زیادی است که استفاده از این ماده در روش‌های تولید صنعتی (مخصوصا روش‌های سنتی) مرسوم است اما به سبب خواص مکانیکی چشمگیر و همینطور قابلیت ساخت قطعات با عملکرد بالا،  استفاده از آن در بخش پرینت سه بعدی نیز به تدریج افزیش پیدا کرده است. دیگر آنکه به هنگام چاپ سه بعدی، نسبت به پلاستیک‌های استاندارد مانند PLA و ABS، PA6 ماده سخت‌تری به حساب می‌آید. دمای عملیاتی آن بازه‌ای بین 250 تا 270 درجه سلسیوس است، از این رو همیشه باید از محیط کار مناسب اطمینان حاصل کرد تا ماده دچار انقباض نشود.

      رشته PA6 از نظر منشا با انواع دیگر پلی‌آمیدها متفاوت است زیرا به روش بسپارش حلقه-باز شکل می‌گیرد، به این صورت که پلیمرها تنها در یکی از مسیرها سنتز می‌شوند. هنگام ارزیابی پلیمرهای چگالشی (همه مولکول مونومر، تبدیل به بخشی از پلیمر می‌شود) و پلیمرهای افزایشی (بخشی از مولکول مونومر پس از آنکه وارد پلیمر می‌شود، از بین می‌رود) این امر اهمیت بسیاری پیدا می‌کند. در تحلیل و بررسی اثرات زیست محیطی پلی‌آمید 6 و بعد از آن انتخاب مواد پایدارتر، دو بخش اساسی را باید در نظر داشت. اول فرآیندهایی که برای تهیه مواد اختیار می‌شوند و دوم، مواد خامی که در فرآیند تبدیل شرکت دارند؛ این دو مورد ردپای کربن این نوع پلی‌آمید را تعیین می‌کنند. 

تقاضا برای رشته پلی‌آمید 6 بسیار زیاد است. (صاحب امتیاز تصویر: Sharebot)

نوع ترکیب و اثرات زیست محیطی پلی‌آمیدهای 11 (PA11) و 12 (PA12)

      پلی‌آمیدهای 11 و 12 از نظر شیمیایی شباهت زیادی دارند، تنها تفاوت آن‌ها، اختلاف یک عددی کربن در زنجیره اصلی پلیمر است. اما یک اتم تفاوت بسیار بزرگی در نوع سازماندهی پلیمر و همینطور ساخت ماده نهایی ایجاد می‌کند. به غیر از این مورد، پودرهای پلی‌آمید که در پرینت سه بعدی به کار می‌روند، تفاوت‌های چشمگیری دارند که به دلیل تفاوت در منشا آن‌ها است. پلی‌آمید 11 یک پلیمر نیمه بلوری است که به روش فرآیند سنتز از یک ماده اولیه «سبز» تولید می‌شود و از این جهت بیشتر از پلی‌آمید 12، به پلی‌آمید 6 شباهت دارد. این نوع نایلون زیست-پایه است؛ یعنی مواد خامی که برای تولید آن استفاده می‌شود تجدید پذیراند و از مشتقات گیاهی (بیشتر روغن کرچک) به دست می‌آیند. با توجه به کاربردهایی که پلی‌آمید 11 دارد می‌توان گفت هرجا که ویژگی‌هایی چون مقاومت شیمیایی بالا، انعطاف پذیری، نفوذپذیری کم و پایداری ابعادی اهمیت داشته باشد، پلی‌آمید 11 گزینه مناسبی خواهد بود. محیط‌های خورنده و نمونه‌های اولیه کاربردی از جمله شرایطی هستند که به چنین ویژگی‌هایی نیاز دارند.

      در طرف دیگر، پلی‌آمید 12 نوعی پودر مصنوعی باکیفیت است که به طور کلی برپایه مواد نفتی تولید می‌شود. ساختار شیمیایی خود پلی‌آمید و افزودن مواد افزودنی و فیبرهایی که به ترکیب اضافه می‌شوند، ویژگی‌های اساسی پلی‌آمید 12 را تعیین می‌کند. از مهم‌ترین خواص آن می‌توان به مقاومت بالا در برابر عوامل شیمیایی، اثرات و شرایط محیطی، جذب بسیار پایین آب، پردازش پذیری بالا و در آخر، مقاومت بسیار خوب در برابر سایش و لغزش اشاره کرد. در میان کاربردهای مهمی که پلی‌آمید 12 دارد، می‌توان صنایع پیشرفته را نام برد که خودرو و هوا و فضا مثالی از این قبیل است. همانگونه که پیش‌تر اشاره شد، انتخاب این ماده در چنین صنایعی به دلیل خواص مکانیکی فوق العاده آن است که در حقیقت کلید راهیابی یک ماده به بخش‌های حرفه‌ای صنعت است.

      شرکت اسکولپتئو (Sculpteo) به معرفی پودر PA11 HP، محصول خودش می‌پردازد و در کنار آن تمایزهای برجسته این دو پلی‌آمید و به ویژه رابطه آن‌ها را با منابع پایدار به تصویر می‌کشد، و در وبسایت خود می‌نویسد: «پودر PA11 HP ما 100% بر پایه منابع زیست‌توده‌ی تجدید پذیر تولید می‌شود. دانه کرچک که برای تولید روغن استفاده می‌شود، از گیاه کرچک به دست می‌آید. سپس روغن کرچک به مونومر (11-آمینواندکانوئیک اسید) تبدیل می‌شود و در نهایت پس از بسپار شدن به پلی‌آمید 11 ختم می‌شود. پلی‌آمید 11 جایگزینی پایدار برای پلی‌آمید 12 است و برای محصولات شما که با پوست تماس دارند، خواص بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد.» ویژگی‌های گفته شده نشان می‌دهند که در بحث پایدارسازی، نایلون 11 یک پلاستیک زیستی است که باید در جایگاه اول قرار بگیرد. البته نوع کاربرد نهایی قطعات پرینت شده را نیز باید در نظر داشت. 

      پس از بررسی خواص هر دوی پلی‌آمیدها، در نگاه اول به نظر می‌رسد پلاستیک زیستی جایگزین بهتری برای پلاستیک‌های معمولی باشد؛ زیرا بخشی از آن از منابع تجدید پذیر تشکیل شده و می‌تواند به صورت زیست تخریب پذیر تولید شود. اما نونو نوس، مدیر بخش طراحی FICEP S3 خطاب به ما عنوان کرد: «برای آنکه مشخص کنیم استفاده از پلاستیک زیستی، در مقایسه با پلاستیک معمولی به سود محیط زیست است یا نه، باید عوامل متعددی را در طول چرخه عمر هردو نوع پلاستیک مقابل هم قرار دهیم، از جمله روش تولید، انتشار گازهای گلخانه‌ای و احتمال بازیافت. در FICEP S3 برای هر ماده‌ای که استفاده می‌کنیم و هر محصولی که طراحی می‌کنیم این کار را انجام می‌دهیم. برای تصمیم گیری، از هر چیز جدید و جالبی دنباله‌روی نمی‌کنیم و تصمیمات ما بر اساس داده‌ها و حقیقت علمی هر موقعیت به وجود آمده اتخاذ می‌شوند.» پس از بررسی خواص نایلون و ارتباط آن با بحث پایداری، در ادامه به کاربرد این ماده در پرینت سه بعدی می‌پردازیم. 

نایلون، پرینت سه بعدی و توسعه پایدار

      نایلون نیز مانند پلاستیک‌های مصنوعی دیگر، ماده‌ای است که در محیط طبیعی تجزیه نمی‌شود. در صورتی که بسیاری از مواد با منابع طبیعی مانند کاغذ، چوب یا شیشه به مرور زمان اکسید و سپس تجزیه می‌شوند. به همین خاطر، در سیاره‌ای که زندگی می‌کنیم، شیوه‌ای که بیش از همه برای مبارزه با تهدید دفع پیچیده پلاستیک اتخاذ می‌شود، بازیافت، یا به عبارتی دیگر تبدیل و تغییر شکل این مواد است. واقعیت مهمی وجود دارد که باید به یاد داشته باشیم، اینکه بازیافت پلاستیک‌های زیستی، مانند پلی‌آمید 11 دشوار است به گونه‌ای که بسیاری از شهرها تجهیزات موردنیاز این نوع بازیافت را در اختیار ندارند. در نهایت، سرانجام بسیاری از پلاستیک‌های زیستی به محل‌های دفن زباله ختم می‌شود و پسماندها از دریافت اکسیژن ناکام می‌مانند. دفن زباله‌ها سبب انتشار گاز متان در جو کره زمین می‌شود؛ متان یک گاز گلخانه‌ای است که 23 برابر قوی‌تر از کربن دی اکسید عمل می‌کند؛ به طوری که می‌توان گفت در نتیجه دفن پلاستیک‌های زیستی، تخریب لایه اوزون سریع‌تر از دفن پلاستیک‌های معمولی انجام می‌گیرد. 

      از آنجا که تمرکز ما بر ارزیابی دو فناوری اصلی پرینت سه بعدی است، خاطر نشان می‌کنیم که از نظر توسعه پایدار، پرینت سه بعدی SLS نایلون یک مزیت کلیدی دارد. بعد از اتمام فرآیند تولید، اطراف قطعات، پودر غیرمتخلخل قرار می‌گیرد و قطعات پرینت شده را تقویت می‌کند. در فناوری SLS، حدود 70% پودر غیرمتخلخل برای دفعات بعد قابل استفاده است. بررسی‌ها از نقطه نظر توسعه پایدار و بازیافت پذیری، نشان می‌دهد فناوری SLS در این مورد بر فناوری FDM برتری دارد؛ در فناوری FDM مواد تقویتی چاپ شده، قابلیت تبدیل و استفاده دوباره را ندارند.   

در فناوری SLS، حدود 70% پودر غیرمتخلخل را می‌توان دوباره استفاده کرد. (صاحب امتیاز تصویر: Arkema)

      اصطلاح «مسئولیت اجتماعی شرکتی»[1] زمانی به کار می‌رود که مقصود، ارزیابی و کنترل اثرات زیست محیطی شرکت‌ها باشد؛ این عبارت نشان می‌دهد که هر نوع تشکیلات و سازمانی در قبال محیط زیست مسئول است. این دیدگاه اکنون در میان کسانی که از فناوری سه بعدی استفاده می‌کنند وجود دارد و پیوسته رو به رشد است. به عبارتی، در حال حاضر بسیاری از شرکت‌های صنعتی راهکارهایی را اتخاذ می‌کنند که بر پایه منابع زیستی هستند تا بدین ترتیب آثار مخرب زیست محیطی را کاهش دهند.

      شرکت آرکما[2]، یکی از مشهورترین شرکت‌های صنعتی در حوزه مواد شیمیایی است و طیف وسیعی از مواد گوناگون مورد نیاز فناوری ساخت افزایشی را تولید می‌کند و نایلون نیز یکی از آن‌ها است. این شرکت به ویژه در شاخه شیمی گیاه کرچک، دانش و تخصص فوق العاده‌ای در اختیار دارد. انواع بسیار متنوعی پلی‌آمید از این گیاه تولید و توسعه یافته‌اند که زیست تخریب پذیر، کارآمد و دارای زنجیره‌های بلندی هستند؛ این امر برای مجموعه پلی‌آمیدهای 11 با نام تجاری Rilsan نیز صدق می‌کند. ژان لوک دوبوآ، مدیر بخش کاتالیز، فرآیندها و تبدیلات زیست‌توده بیان می‌کند: «فرآیندهای زیست پایه‌ی ما ثابت می‌کند که شما هم می‌توانید با بهره گیری از مواد اولیه تجدیدپذیر، محصولاتی تولید کنید که فنی و مقرون به صرفه باشند و البته نیاز بازار را به درستی برآورده کنند.»

نگاهی به چشم‌انداز آینده نایلون از منظر توسعه پایدار

      بدیهی است که همه مواد در صنعت تولید، آثاری از خود در محیط زیست به جا می‌گذارند، گاهی به صورت انتشار گازها یا گاهی به میزان قابلیت بازیافت قطعات مختلف. از طرف دیگر، در حال حاضر جایگزین مناسبی برای پلی‌آمیدهایی که بر پایه نفت هستند، وجود ندارد؛ بنابراین با بررسی اجزای سازنده پلی‌آمیدهای زیست-پایه، استفاده از آن‌ها امیدبخش به نظر می‌رسد. نوسان قیمت نفت همچنان ادامه دارد و بحران مربوط به آب و هوا بیشتر از قبل دیده می‌شود، از این رو احتمال آنکه نایلون در آینده با گزینه‌های متعددی جایگزین شود، وجود دارد. 

صنعت ساخت افزایشی از منظر توسعه پایدار، آینده روشنی دارد. (صاحب امتیاز تصویر: FICEP S3)

      حال اگر بخواهیم تنها به فناوری پرینت سه بعدی بپردازیم، باید بگوییم هدف اصلی این فناوری کاهش مدت زمان تولید و مقدار مواد مصرفی است. تیم آرکما درباره استفاده از پلی‌آمید 11 در وبسایت خود چنین می‌نویسند: «تعداد شرکت‌هایی که تقاضای مواد پاک و پایدار دارند، پیوسته رو به افزایش است. صد در صد پلیمر پلی‌آمید 11 بر پایه منابع زیستی است و با انتخاب این ماده، گامی در راستای راهبردهای توسعه پایدار و تحقق اهداف «مسئولیت اجتماعی شرکت‌ها» است.» نونو نوس از شرکت FICEP، نقطه نظر کاملا متفاوتی از استفاده جهانی نایلون به ما نشان می‌دهد: «توقف تولید و استفاده از پلاستیک‌های پایه‌ی نفتی راه حل مناسبی نیست، بلکه باید شیوه هوشمندانه‌تری برای استفاده از آن‌ها در پیش گرفت و به درستی بازیافت شوند. این تفکر که هر چیز زیستی صرفا خوب است باید از بین برود؛ البته که در عمل انجام این‌ها کار دشواری خواهد بود.»

      زمانی که این دو دیدگاه در مقابل یکدیگر قرار بگیرند، روشن است که صنعت ساخت افزایشی در رابطه با استفاده از نایلون، مسیر درستی را پیش گرفته است. اما هنوز فاصله بسیاری داریم تا همانطور که نوس می‌گوید، به تعریف درست واژه «زیستی» و روش‌های تولید پایدارتر با آثار مخرب زیست محیطی کم‌تر دست یابیم.