Главная / Блог / Применение / 3D печать и экология

3D печать и экология

3D печать и экология
Логотип сайта
13.07.2021

Вегетарианство, электромобили, зеленая энергетика. Все чаще люди начинают задумываться о разрушающем воздействии человечества и производства на природу.

Глобальное потепление (особенно это заметно последнее десятилетие), загрязнение мирового океана, мусорные свалки, вымирание некоторых видов животных или даже целых экосистем. Если не начать с этим бороться уже сегодня, то через сотню лет вряд ли что то останется от былого природного величия.

3D-печать, благодаря своей универсальности, помогает многим ученым и энтузиастам в различных областях в решении больших и глобальных задач, для сохранения и экосистем нашей пока еще зеленой планеты.

Экологичное производство

В первую очередь 3D принтеры помогают сделать производство более экологичным. Использование 3D печати, вместо классических методов производства, помогает сократить количество отходов и выбросов парниковых газов в атмосферу.

Сокращение выбросов в атмосферу

Дым, мусор, газы, токсичные пары являются частыми “спутниками” традиционных методов производства. Тем не менее, их можно значительно сократить или совсем исключить, если на производстве или дома трудится 3D- принтер.

Серийное производство против 3D печати

На первый взгляд кажется, что серийное производство меньше вредит природе, чем штучное изготовление на 3D-принтере. Но оказалось, что это не совсем так. Джошуа Пирс с коллегами, проследил жизненный цикл трех бытовых вещей - соковыжималки для апельсинов, детальки от детского конструктора и сегмента водосточной трубы.

Джошуа Пирс ученый из Мичиганского технологического университета США

Джошуа Пирс-ученый из Мичиганского технологического университета США

Оказалось, что производство, на первый взгляд, таких обычных бытовых вещей потребляет огромное количество ресурсов - добыча сырья и его переработка, производство, хранение и доставка конечному потребителю. При массовом производстве обычно используется штамповка или литье, после которых обязательно остаются обрезки пластика.

3D-печать позволяет намного сократить производственную цепочку, а следственно и энергетические затраты (примерно на 40-60%). Ведь 3D-печать (при условии, что у клиента есть свой принтер) не требует доставки - достаточно отослать цифровую 3D-модель. Печать может быть точнее и оставлять после себя меньше пластиковых отходов. 3D-принтер даже может изготовить полые или решетчатые детали, которые технически невозможно изготовить массово литьем или формовкой.

Уменьшение потребление топлива

В мире все больше производителей авто и мототехники начинают развивать направление электродвигателей. Появляются новые и более доступные электромобили, развивается инфраструктура для обслуживания электротехники. Многие страны ставят себе цель уже в ближайшем будущем максимально снизить использование ископаемого топлива.

Электромобиль Strati изготовленный на 3D принтере

Электромобиль Strati, изготовленный на 3D-принтере

Но к сожалению, отказ от ископаемого топлива в ближайшие несколько десятков лет-это утопия. Но уже сейчас 3D-печать помогает хотя бы снизить количество потребляемого топлива. Это достигается благодаря максимальному облегчению веса как самой машины, так и механических узлов ДВС (двигателя внутреннего сгорания).

3D печать и зеленая энергетика 3.jpeg

Петля капота двигателя,слева изготовленная на 3D принтере и справа-из листового металла

Экологичное производство

3D печать помогает не только сокращать промышленные выбросы в атмосферу, но и помогает находить и реализовать новые идеи. Ведь каждый владелец 3D принтера может сам смоделировать и изготовить устройство или предмет, которые, на его взгляд, помогут противостоять изменениям климата.

Экологичные стаканы

Одноразовые пластиковые стаканчики-это головная боль экологов по всему миру. По статистике средний человек пользуется пластиковым стаканчиком 15 минут, а разлагаться на помойке ему предстоит от 400 до 450 лет.

Пластику, из-за его свойств, сложно найти замену, особенно в пищевой промышленности, но некоторые энтузиасты пытаются это сделать. Юн Айзаки (Jun Aizaki) считает, что может решить эту проблему при помощи тыквы.

Стаканчики HyO-Cups или природные стаканы

Стаканчики HyO-Cups или природные стаканы

Еще доисторические люди приспособились использовать бутылочную тыкву в качестве резервуаров для воды. Благодаря формам, напечатанным на 3D-принтере, можно придать практически любую форму растущей тыкве.

Тыква-горлянка в форме кувшина

Тыква-горлянка в форме кувшина

Спасение животных

3D-принтеры активно помогают братьям нашим меньшим. Помимо использования в медицинских целях, например изготовление протезов, 3D-печать помогает сохранять и восстанавливать целые экосистемы.

Протезы для животных

Самая большая проблема в протезировании животных - это создание часто миниатюрного, но легкого и точного протеза. Вручную или другими методами это иногда бывает невозможно. В таком случае единственным выходом является 3D-печать.

Кот Курано

Кот Курано 9 лет жил полной жизнью, радуя своих хозяев, пока не заболел раком. Владельцы Курано сделали все возможное, чтобы спасти своего любимца и хотя рак отступил, задняя левая нога Курано была сильно повреждена. Ампутация ноги могла создать новые проблемы и было решено попробовать заменить коленную чашечку на имплант.

3D печать и зеленая энергетика 6.jpg

Миниатюрный имплант был изготовлен на 3D-принтере из сплава кобальта с хромом при помощи технологии DMLS (прямое лазерное спекание). Изготовление любыми другими способами было невозможно т.к имплант должен быть не только миниатюрным и долговечным, но и полностью повторять сложный рельеф для качественной интеграции в кость.

Лошадь Холли

Холли - это десятилетняя кобыла, которая страдала ламинитом.

Ламинит - это болезнь парнокопытных, возникающая из-за плохого кровообращения копытных пластин. Из-за ламинита Холли испытывала сильную боль в ногах не только при ходьбе, но и при стоянии.

Ветеринар Люк Уэллс-Смит слышал о успешных попытках изготовления индивидуальных титановых подков для беговых лошадей.

Подковы изготовленные из титана на 3D принтере

Подковы, изготовленные из титана на 3D принтере

Ребята из Австралийского национального научного центра прониклись бедой Холли и решили помочь. В сотрудничестве с лошадиным ортопедом были созданы специальные подковы для Холли. Они позволили облегчить копыто и более равномерно распределить нагрузку на ноги.

Сканирование копыт Холли

Сканирование копыт Холли

Новая обувь помогла Холли начать не только ходить без боли, но и бегать.

Морская черепаха Акут

Столкновение с винтом лодки стало для морской черепахи Акут-3 несчастливым. Большая часть верхней и нижней челюсти отсутствовала. Это означало почти гарантированную медленную смерть для черепахи, но ей повезло.

“Научный центр исследования и реабилитации черепах”, в который попала черепаха, обратился к турецкой компании Btech, которая специализируется на медицинской 3D-печати. Компания Btech смогли отсканировать и изготовить недостающую часть челюсти для Акут из титана.

3D модель протеза для Акут слева и готовый протез справа

3D-модель протеза для Акут слева и готовый протез справа

Хирургам удалось вживить титановую челюсть черепахе и после удачной реабилитации она может быть выпущена в природу.

Черепаха с установленным протезом

Черепаха с установленным протезом

Сухопутная черепаха Клеопатра

Никола Новелли подобрал и выходил небольшую сухопутную черепаху. Но из-за неправильного питания панцирь черепашки, Никола назвал ее Клеопатра, был деформирован (имел форму пирамиды) и истончен. Если бы панцирь треснул, то Клеопатра могла погибнуть от инфекции.

Деформированный, пирамидообразный панцирь Клеопатры

Деформированный, пирамидообразный панцирь Клеопатры

Никола обратился в Технический университет Колорадо, с просьбой изготовить протез для Клеопатры. Специалисты из университета и компании, специализирующейся на 3D печати в Денвере, отсканировали и изготовили накладку на панцирь из полилактида - биоразлагаемого, биосовместимого полимера. Из-за сложного рельефа панциря модель пришлось печатать по частям.

Клеопатра с накладкой на панцирь

Клеопатра с накладкой на панцирь

Поскольку Клеопатра еще подросток и с возрастом будет еще расти, придется периодически менять “протез”.

Домики для раков-отшельников

В дикой природе плохо быть маленьким и слабым. Но раки-отшельники смогли приспособится и в качестве надежного укрытия используют пустые раковины брюхоногих моллюсков.

Раки отшельники

Раки-отшельники

Из-за загрязнения пляжей многие раки-отшельники, в поисках нового “домика”, попадали в смертельные ловушки из пластиковых пакетов, бутылок, канистр и погибали. Да и естественных укрытий становится все меньше. Ракам отшельникам приходится использовать пластиковый мусор, совсем не подходящий для этого.

Раки отшельники используют в качестве дома мусор

Раки-отшельники используют в качестве дома мусор

Некоторые энтузиасты пытаются помочь несчастным ракообразным и пытаются изготовить им достойный домик-замену.

Например сотрудники компании MakerBot создали проект “Убежище” , где предлагают любому желающему сконструировать 3D-модель убежища для рака-отшельника. Лучшие работы будут распечатаны на 3D-принтере и протестированы раками.

От концепта к реализации 3D печатных домиков для раков

От концепта к реализации 3D печатных домиков для раков

А вот Японская художница Аки Ямомата, вдохновившись идеей мирного обмена землей между странами, реализовала проект печатных прозрачных домиков для раков-отшельников в форме небольших городов.

Рак в новом жилище изготовленном на фотополимерном принтере

Рак в новом жилище, изготовленном на фотополимерном принтере

Чтобы домики точно понравились новым обитателям, за основу были взяты томографические снимки ракушек, доработанные в 3D-редакторе. Готовые модели изготавливаются из прозрачной смолы на фотополимерном принтере.

Сохранение и поддержка экосистем

Помимо протезирования 3D-печать помогает, хоть и не избежать некоторых экологических катастроф, но хотя бы затормозить их. А это может дать больше времени ученым  разобраться в причинах и достучаться до людей.

Большой Барьерный риф

Это крупнейший и старейший в мире коралловый риф. Он настолько огромный, что его видно из космоса (площадь Большого Барьерного рифа около 344 400 квадратных километров). К тому же кораллы являются домом для многих видов рыб и других морских обитателей.

Большой Барьерный риф из космоса

Большой Барьерный риф из космоса

Но несмотря на свои исполинские размеры он находится под угрозой исчезновения., Из-за повышения температуры воды, загрязнения мирового океана и изменения климата приводят к медленному вымиранию водорослей-эндосимбиотов, которые придают яркий цвет кораллам.

Ученые из Сиднейского университета используют 3D сканирование и 3D печать для сохранения Большого Барьерного рифа. При помощи 3D сканирования была построена подробная карта рифа. С помощью нее можно отслеживать и прогнозировать наиболее уязвимые места.

Используя 3D принтер, ученые изготавливают разнообразные конструкции, способные поддерживать Большой Барьерный риф. Например печатаются секции, которые служат домом для рыб, питающихся водорослями, которые убивают кораллы. Раньше для этой цели использовались специальные блоки или подготовленные, затопленные корабли, но 3D печать позволяет гораздо точнее имитировать естественную структуру рифа.

Искусственный риф из смеси пескобетона

Искусственный риф из смеси пескобетона

Воссоздание погибших экосистем

Ученые планируют применять подобную технологию не только для поддержания существующих экосистем, но и для восстановления исчезнувших. Ведь к настоящему времени около трети мировых коралловых рифов погублено. 

Благодаря 3D-печати есть шанс хотя бы немного исправить ситуацию. Используя новую технологию Modular Artificial Reef Structures (сокращенно MARS) ученые пытаются внедрить 3D-печатные конструкции, которые могут стать домом для рифов.

Искусственный “риф” слева - недавно установленный, справа - спустя какое то время

Искусственный “риф” слева - недавно установленный, справа - спустя какое то время

Преимущество таких блочных конструкций - это простота установки. Ведь для их погружения и установки не требуется кранов или другой техники. На дно их может доставить несколько дайверов отдельными блоками. В каждом блоке есть полые части, которые заполнены арматурой и специальным бетоном, для долговечности.

Установленная модульная система

Установленная модульная система

Один из крупнейших 3D-печатных "коралловых рифов" уже разместили на Мальдивах.

Сокращение отходов

Помимо восстановления экосистем необходимо сокращать выбросы бытового мусора. И здесь 3D печать становится ценным помощником.

Cora Ball

Cora Ball - это разработка компании Rozalia Project. Cora Ball представляет из себя небольшой пластиковый шар, который собирает микроволокна “сыпящиеся” с нашей одежды во время стирки. Таким образом грязь и волокна, которые могли попасть в водоемы и океаны останется в мусорном ведре. Ведь эти микрочастицы могут съедать рыбы и другие животные.

Прототип Cora Ball

Прототип Cora Ball

Несмотря на то, что массовое производство планировалось производить при помощи формовки, первые партии и прототипы Cora Ball были изготовлены на 3D принтере.

Вторая жизнь сломанных вещей

Любые механизмы со временем изнашиваются и выходят из строя. Часто для восстановления работоспособности механизма достаточно изготовить небольшую пластиковую деталь. Так благодаря 3D печати многие вещи не оказываются на свалке,еще больше загрязняя нашу планету, а получают вторую жизнь.

РУ машинка

Радиоуправляемые машинки давно стали не только детскими игрушками. Многие взрослые не против вспомнить детство и погоняться на импровизированной трассе.

РУ машинка

РУ машинка

Слабым местом всех РУ машинок является пластиковая подвеска. Для дорогих копийных моделей почти всегда можно найти запчасти, но для редких или китайский моделей их нет.

Вместо того, чтобы выбрасывать почти рабочую игрушку, можно изготовить сломанный элемент на 3D принтере. При моделировании можно даже повысить прочность детали добавив в слабых местах ребра жесткости.

Задняя ступица РУ машинки в масштабе 1/18

Задняя ступица РУ машинки в масштабе 1/18


Некоторые энтузиасты печатают шасси полностью на 3D принтере. Это позволяет легко заменять сломавшиеся элементы и оперативно дорабатывать и исправлять конструктивные недостатки.

Шасси РУ машинки напечатанное на 3D принтере

Шасси РУ машинки, напечатанное на 3D принтере

Вторая жизнь мясорубки

Даже такие, казалось бы, вечные вещи как металлическая мясорубка может сломаться. Самое обидное, что сломалась деталь, на которую не приходится сильная нагрузка.

Прижимная гайка для мясорубки изготовленная на 3D принтере

Прижимная гайка для мясорубки, изготовленная на 3D принтере

Разнообразие материалов позволяет напечатать на 3D принтере замену практически любой пластиковой запчасти. Это может быть шестеренка для блендера, пластиковая ручка для стиральной машинки и многое другое.

В некоторых ситуациях, когда модель редкая и старая, оригинальных даже БУ запчастей нет. 3D-печать позволяет подарить любимому домашнему прибору еще многие годы жизни, вместо гниения на свалке.

Печать для автомобиля

Иногда ломается маленькая, копеечная деталька в важном узле. Но производитель продает нужную запчасть только в сборе. Из-за этого приходится не только переплачивать за необходимую деталь, но и выбрасывать уже не нужный, хоть и почти рабочий механизм.

Форсунка омывателя для Тойоты Авенсис - слева напечатанная на 3D принтере, справа оригинал

Форсунка омывателя для Тойоты Авенсис - слева напечатанная на 3D принтере, справа оригинал

3D-принтер становится “палочкой выручалочкой” если нужно изготовить запчасть, которую уже сложно или невозможно достать. Например эту деталь уже не выпускают, а БУ вариант найти не удалось или доставка будет стоить дороже, чем сама деталь.

Зеленая энергия

Переход на зеленую энергию- это важный шаг в сокращении выбросов парниковых (и не только) газов в атмосферу.

Энергия ветра

Энергия ветра - это возобновляемый и “чистый” источник энергии. Несмотря на некоторые минусы (непостоянство силы ветра и поэтому неравномерная выработка электроэнергии), является перспективным для некоторых стран. Например в Дании, в 2019 году ветряками, было выработано 48% потребленной электроэнергии.

Существует несколько вариантов ветрогенераторов - с вертикальной и горизонтальной осью вращения.

3D печать и зеленая энергетика 27.jpg

Основные виды ветрогенераторов

Вертикально-осевые ветрогенераторы имеют меньшее КПД по сравнению с горизонтально-осевыми, но для их использования необходимо, чтобы скорость ветра была более 6 м/с. В России среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с, поэтому чаще используются ветрогенераторы с вертикальной осью.

Домашний ветрогенератор

В России “чистые” источники энергии не очень популярны из-за своей высокой цены. 3D-печать помогает энтузиастам проектировать и создавать недорогие модели ветрогенераторов.

Домашний ветрогенератор изготовленный при помощи 3D печати

Домашний ветрогенератор, изготовленный при помощи 3D печати

В многоквартирном доме вряд ли найдется место, в котором ветрогенератор будет эффективен, но например на даче он может стать хорошим помощников при отключении электроэнергии.

Оптимизация производства ветрогенераторов

Промышленный ветрогенератор-это сложный механизм исполинского размера.

Лопасть промышленного ветрогенератора

Лопасть промышленного ветрогенератора

Используя только методы 3D моделирования, может быть сложно правильно рассчитать все параметры. Благодаря 3D принтерам можно создать миниатюрную копию ветрогенератора и протестировать его в аэродинамической трубе. Это помогает оптимизировать и дорабатывать конструкцию ветровых генераторов делая их более эффективными.

Прототип турбинного ветрогенератора проходит испытания в аэродинамической трубе

Прототип турбинного ветрогенератора проходит испытания в аэродинамической трубе

А некоторые компании предлагают печатать башни для ветрогенераторов на 3D принтере. Компании GE Renewable Energy, COBOD (специалисты в области 3D печати) и LafargeHolcim (производитель цемента и других строительных материалов) объединились для разработки самых высоких в мире башен для ветряных турбин. Это позволит снизить затраты на установку ветрогенераторов и делать их выше (200 метров вместо 100), чем из других материалов.

Башня ветрогенератора напечатанная на 3D принтере

Башня ветрогенератора, напечатанная на 3D принтере

Ведь чем выше ветрогенератор, тем больше электроэнергии он может выработать за год. Например турбина мощностью 5 МВт на высоте 80 метров за год выработает примерно 15,1 ГВт*ч. Та же турбина на высоте 160 метров - 20,2 ГВт*ч за год, а это на 30% больше.

Солнечная энергия

Солнечную энергию получают при помощи специальных панелей, состоящих из фотоэлектрических элементов, в которых происходит ряд физических и химических процессов, под воздействием солнечного света. Существует несколько видов фотоэлементов - монокристалические, поликристалические, аморфные (гибкие, пленочные).

В России солнечные батареи не сильно распространены из-за нерентабельности использования в высоких широтах.

В России солнечные батареи не сильно распространены из-за нерентабельности использования в высоких широтах.

В настоящее время ведутся разработки для производства панелей на 3D принтере, но в основном 3D печать в солнечной энергетике используется для печати прототипов и аксессуаров для панелей.

Аксессуары для солнечных панелей

Организация Peppermint Energy, расположенная в Южной Дакоте, создала FORTY2. FORTY2 - это портативная солнечная панель мощности которой хватит для работы ноутбука, освещения и т.д.

3D печать и зеленая энергетика 33.jpg

Для производства прототипа корпуса использовалась 3D печать на промышленном принтере Stratasys. Благодаря 3D печати удалось быстро изготовить несколько функциональных прототипов корпуса и убрать все недостатки.

3D печать и зеленая энергетика 34.jpg

Например первая версия FORTY была слишком громоздкой и неудобной при транспортировке. Был сильно упрощен первоначальный дизайн. Применение 3D принтера позволило снизить производственные затраты примерно на 250000$.

Гидроэнергетика

Большинство возобновляемых источников энергии (солнечная энергия, ветер) непостоянны. Электроэнергию полученную таким способом нужно “стабилизировать” - запасать в аккумуляторах.

Вода в этом плане является более предсказуемой. Промышленные гидроэлектростанции имеют ряд своих недостатков. Например риск наводнения, опустынивание, миграция людей и т.д. Небольшие гидрогенераторы, в основном, лишены недостатков своих промышленных собратьев и не влияют так разрушительно на экологию.

Вихревая турбина

Команда бельгийского стартапа Turbulent пытается создать компактный гидрогенератор которого хватит для обеспечения электричеством 1-2 частных домов. Это поможет отдаленным от энергосетей жителям, обеспечить свои дома электричеством используя энергию ручьев или небольших рек.

Прототип гидрогенератора от Turbulent

Прототип гидрогенератора от Turbulent

Что бы сделать турбину более доступной и дешевой, в качестве способа изготовления выбрана 3D печать. Согласно статистике 1.3 млрд людей не имеют доступа к электросетям, еще больше жителей имеют постоянные перебои с электричеством и вынуждены использовать другие, не экологичные, источники энергии (например бензиновые/дизельные генераторы).

Речная турбина

Ted Christopher в течении нескольких лет разрабатывал прототип речной турбины, способной генерировать электричество без воздействия на окружающую среду. Итогом его разработок стала система Волтурн, названная так в честь бога реки в греческой мифологии.

3D печать и зеленая энергетика 36.jpg

Волтурн имеет горизонтальную конструкцию, которая генерирует энергию и отклоняет речной мусор, такой как камни, растения или бревна.

Прототип был распечатан на 3D принтере и протестирован в местных реках. 5 турбин объединенных в единую систему смогут обеспечить электричеством около 40 домов.

Переработка пластика

Пластик. Его свойства, для современного мира, становятся одновременно спасением и проклятием для экологии. С одной стороны пластиковые изделия получаются легкими и прочными, на их изготовление не нужно тратить много времени. В то же время не все виды пластика можно переработать. В среднем пластиковое изделие может разлагаться от 400 до 700 лет и к сожалению пластик гниет не только на мусорных полигонах, а загрязняет природу и мировой океан.

Повторное использование филамента

Во время 3D-печати неизбежно остается пластиковый мусор. Это могут быть поддержки модели или сломанные изделия, во время печати которых что-то пошло не так.

Неудачная 3D печать

Неудачная 3D печать

Но использованный пластик можно измельчить, смешать со свежими гранулами и использовать повторно (если пластик не биоразлагаемый). В таком случае 3D-печать становится практически безотходной.

В интернете можно найти множество вариантов домашних станков для производства пластиковой нити. Это может быть самосборный станок, частично напечатанный на 3D принтере.

Домашний самосборный станок для изготовления филамента

Домашний самосборный станок для изготовления филамента

Или готовый станок изготовленный на заводе. Гранулы для производства пластика можно легко заказать в интернете.

Домашний станок для изготовления филамента

Домашний станок для изготовления филамента

Филамент из пластиковых бутылок

Помимо переработки использованного филамента энтузиасты научились печатать даже из пластиковых бутылок.

Самодельный станок для изготовления пластиковой нити из пластиковых бутылок

Самодельный станок для изготовления пластиковой нити из пластиковых бутылок

Ежедневно, во всем мире, используется и выбрасывается около 100 миллионов пластиковых бутылок и только 20% из них перерабатываются или используются повторно. Пластиковая бутылка может разлагаться до 450 лет! Применение пластиковых бутылок в качестве материала для 3D принтера позволит подарить им новую жизнь в виде полезных вещей для дома.

Катушка напечатанная из “бутылки”

Катушка напечатанная из “бутылки”

Шестерня напечатанная на 3D принтере из “бутылки”

Шестерня, напечатанная на 3D принтере из “бутылки”

Из одной бутылки получается от 15 до 30 гр пластикового филамента.

Итоги

3D-принтерам предстоит пройти еще долгий путь, чтобы стать по настоящему экологичными, но уже сейчас, несмотря на несовершенство технологии, они могут помочь снизить загрязнение экосферы.

Уже сейчас благодаря 3D-печати совершается много добрых дел - удается усовершенствовать технологии производства, пусть хоть немного, снизить количество выбросов в атмосферу и,конечно, пытаться восстановить хрупкий природный баланс.

Важно помнить, что 3D-принтер- это всего лишь инструмент и только от сознательности человека зависит принесёт он пользу или продолжит пополнять свалки ненужным пластиковым мусором.

#Применение
Эксперт в области аддитивных технологий и 3D-печати с опытом работы более 5 лет.
Все материалы

Остались вопросы?

Наши специалисты помогут с выбором 3D-оборудования или аксессуаров, проконсультируют по любым вопросам.

Нашли дешевле?

Нашли дешевле?

Ваш запрос успешно отправлен.

Как только он будет обработан, менеджеры нашей компании свяжутся с вами.

Купить в один клик

Запросить КП

Форма программы Trade-in

Добавить отзыв

Заполните форму