Il nylon è un materiale sostenibile per la stampa 3D?

Il nylon è un polimero sintetico del tipo poliammide. Nella produzione additiva, si trova in forma di filamento (PA6) per la tecnologia FDM, o in forma di polvere (PA11 e PA12) per tecnologie come la sinterizzazione laser selettiva o HP MultiJet Fusion. Anche se è un materiale ampiamente utilizzato nel settore della stampa 3D, il nylon è stato talvolta discusso per non essere l’opzione più sostenibile sul mercato. Ciò è dovuto a diversi fattori, come la composizione di alcune poliammidi, il grado di riciclabilità del materiale, o le emissioni di gas durante il processo di fabbricazione.

Se ci concentriamo solo sulla stampa 3D in nylon, è chiaro che, a seconda del tipo di poliammide, della sua origine e composizione, questo materiale avrà un impatto maggiore o minore sull’ambiente. Per capire meglio il suo ruolo nell’industria, così come il suo impatto ambientale, cercheremo di analizzare le caratteristiche e le proprietà del nylon, sia in polvere che in forma di filamento. Come vengono stampati i filamenti PA6, quali sono le differenze tra PA11 e PA12, a che punto è l’industria 3D in termini di utilizzo e sostenibilità del nylon, e ci sono alternative valide?

Crediti foto : FICEP S3

Il filamento PA6 per la stampa 3D

Il filamento PA6 è un polimero termoplastico semicristallino e una delle poliammidi più utilizzate al mondo. Con un punto di fusione di 220°C, il PA6 è usata in un’ampia varietà di applicazioni grazie al suo buon rapporto prestazione/costo. Sebbene sia stato tradizionalmente utilizzato nei metodi di produzione industriale, ha gradualmente guadagnato popolarità nel settore della stampa 3D grazie alle sue interessanti proprietà meccaniche e alla sua capacità di creare parti ad alte prestazioni. Inoltre, il PA6 è un materiale più difficile da stampare in 3D rispetto alle plastiche standard come il PLA o l’ABS. Il suo range di temperatura di stampa è tra 250-270°C, quindi bisogna fare attenzione a garantire un ambiente di lavoro adatto affinché non si restringa.

In termini di origine, si differenzia dagli altri tipi di poliammide in quanto si forma per polimerizzazione ad anello, che è una delle vie attraverso le quali vengono sintetizzati molti polimeri. Questo lo rende un caso speciale nel confronto tra polimeri di condensazione (l’intera molecola di monomero diventa parte del polimero) e polimeri di addizione (parte della molecola di monomero si perde quando diventa parte del polimero). Quando si analizza l’impatto ambientale della poliammide 6 e ci si muove verso un materiale più sostenibile, si devono prendere in considerazione due aspetti importanti. In primo luogo, i processi di produzione utilizzati per ottenere il materiale, e in secondo luogo, la materia prima coinvolta in questo processo di conversione; entrambi definiranno l’impronta di carbonio di questa poliammide.

Il PA6 è un filamento di stampa 3D esigente (crediti foto: Sharebot)

Composizione e impatto ambientale di PA11 e PA12

In termini di chimica, le poliammidi 11 e 12 sono molto simili; differiscono solo per un atomo di carbonio nella catena principale del polimero. Tuttavia, quest’unico atomo fa un’enorme differenza nel modo in cui il polimero è organizzato per creare il materiale. A parte questo, le principali differenze tra le polveri di poliammide per la stampa 3D stanno nella loro origine. Da un lato, il PA11 è un polimero semi-cristallino generato da una materia prima “verde” utilizzando un processo di sintesi più vicino al PA6 che al PA12. Questo tipo di nylon è biosorgente, cioè è prodotto da materie prime rinnovabili derivate da piante, principalmente olio di ricino. Per quanto riguarda le sue applicazioni, la poliammide 11 si trova principalmente dove sono richieste una buona resistenza chimica, flessibilità, bassa permeabilità e stabilità dimensionale, cioè in ambienti piuttosto aggressivi.

Il PA12, d’altra parte, è una polvere sintetica fine che deriva dal petrolio. Le sue caratteristiche di base sono date dalla struttura chimica della poliammide stessa, così come dall’aggiunta di additivi o fibre che vengono aggiunti alla composizione. Le sue proprietà più importanti sono l’alta resistenza agli agenti chimici, alle condizioni ambientali e all’impatto, così come il basso assorbimento di acqua, la facilità di lavorazione e, infine, una buona resistenza all’abrasione e allo scivolamento. Tra le sue principali applicazioni, questa plastica è usata nelle industrie high-tech come quella automobilistica e aerospaziale. Come già detto, ciò è dovuto alle sue eccellenti proprietà meccaniche, che sono essenziali in questi settori professionali.

Per capire meglio le disparità tra le due poliammidi e, più specificamente, la loro origine, Sculpteo afferma sul suo sito web: “PA11 HP si basa su fonti di biomassa rinnovabili al 100%. Il seme di ricino viene estratto dalla pianta di ricino per fare l’olio. L’olio viene poi trasformato in un monomero (acido 11-aminoundecanoico), che viene infine polimerizzato. Questo materiale PA11 è un’alternativa sostenibile al PA12, che offre proprietà interessanti per i componenti che richiedono il contatto con la pelle.” Quindi, in termini di sostenibilità, il nylon 11 dovrebbe essere la bioplastica a cui rivolgersi per prima, anche se questo dipende dalle applicazioni per le parti stampate in 3D.

Nylon, stampa 3D e sostenibilità

Come altre plastiche sintetiche, il nylon non è un materiale che può essere degradato dall’ambiente. Questo sarebbe il caso di altre risorse naturali, come la carta, il legno o il vetro, che si ossidano e si decompongono nel tempo. Pertanto, il metodo più comune per combattere il complesso smaltimento della plastica sul nostro pianeta è il riciclaggio, cioè la conversione. È importante ricordare che le bioplastiche, come il PA11, sono difficili da riciclare, poiché la maggior parte delle città non ha le strutture per trattarle. Molti di loro finiscono nelle discariche, il che li priva di ossigeno. Questo innesca il rilascio di metano nell’atmosfera, un gas a effetto serra 23 volte più potente del CO2, che si crede contribuisca alla riduzione dell’ozono più della plastica tradizionale.

Concentrandosi sulle due principali tecnologie utilizzate, è chiaro che in termini di sostenibilità, la stampa SLS 3D di nylon ha un vantaggio fondamentale. Una volta che il processo di fabbricazione è completo, le parti sono circondate da polvere non sinterizzata, che a sua volta serve come supporto per le parti stampate. Nella tecnologia SLS, fino al 70% di questa polvere non sinterizzata può essere riutilizzata per la stampa futura. Dal punto di vista della sostenibilità e della riciclabilità, questo è un grande vantaggio rispetto al processo FDM, poiché i supporti di stampa non saranno riconvertiti in filamenti per essere riutilizzati.

La tecnologia SLS sembra essere più interessante in termini di sostenibilità (crediti foto: Arkema)

Per valutare e controllare l’impatto ambientale delle aziende, esiste la cosiddetta CSR o responsabilità sociale delle imprese, che si riferisce alla responsabilità che ogni organizzazione ha nei confronti dell’ambiente. Questo aspetto è sempre più presente nell’attività di tutti gli attori della stampa 3D. In effetti, molte aziende del settore stanno già sviluppando soluzioni bio-based per ridurre questo impatto ambientale.

Arkema è uno dei chimici più rinomati del settore e dispone di una vasta gamma di materiali per la stampa 3D, tra cui il nylon. In particolare, Arkema ha un’esperienza e un know-how unici nella chimica dell’olio di ricino. Jean-Luc-Dubois, responsabile della catalisi, dei processi e della valorizzazione delle biomasse di Arkema, commenta: “I nostri processi biobased dimostrano che è possibile utilizzare materie prime rinnovabili per realizzare prodotti tecnici e competitivi dal punto di vista dei costi che soddisfano una reale domanda del mercato“.

Le prospettive future

È chiaro che tutti i materiali usati nell’industria manifatturiera hanno un certo impatto sull’ambiente, che sia attraverso le emissioni di gas o il grado di riciclabilità delle parti. Inoltre, mentre attualmente non esiste un valido sostituto per la poliammide a base di petrolio, sono attualmente allo studio promettenti blocchi di poliammide a base biologica. Poiché il prezzo del petrolio continua a fluttuare e la consapevolezza della crisi climatica aumenta, è probabile che vengano sviluppate più alternative agli attuali componenti in nylon.

L’industria della fabbricazione additiva ha un futuro promettente in termini di sostenibilità (photo credits: FICEP S3)

Sempre concentrandosi sul processo di stampa 3D in sé, sappiamo che la tecnologia è nota per ridurre i tempi di produzione e la quantità di materiali utilizzati. Per quanto riguarda l’uso della poliammide 11, il team di Arkema afferma sul suo sito web: “Sempre più aziende richiedono materiali puliti e sostenibili. PA11 è un polimero al 100% a base biologica e la sua selezione si adatta perfettamente a questa strategia verde per soddisfare gli obiettivi di responsabilità sociale delle imprese. Sull’uso globale del nylon, Nuno Neves del FICEP S3 ha una visione più mista: “La soluzione non è smettere di fare e usare la plastica a base di petrolio, ma usarla in modo più intelligente, riciclarla correttamente e smettere di pensare che qualsiasi cosa ‘organica’ sia buona, che raramente è così semplice.

Confrontando i due punti di vista, è chiaro che l’industria della produzione additiva è sulla strada giusta per quanto riguarda l’uso del nylon. Tuttavia, c’è ancora molta strada da fare per rendere, come dice Neves, ‘bio’ positivo e raggiungere una produzione più sostenibile con meno impatto ambientale.

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*Crediti foto di copertina: Sculpteo