Hammaslääketieteen muovijätteen uusi elämä – kohti kiertotaloutta 3D‑tulostuksen avulla
Hammaslääketieteessä käytetään laajasti polymetyylimetakrylaattia (PMMA), joka on keskeinen materiaali esimerkiksi proteeseissa ja purentakiskoissa. Materiaali on kestävä ja hyvin työstettävä sekä soveltuu hyvin suun kudosten kanssa. PMMA:ta käsitellään usein CNC-jyrsinnällä valmiista kiekoista, mutta valmistusmenetelmä aiheuttaa merkittävän määrän jätevirtaa. Jyrsintäprosessissa jopa noin 60 % alkuperäisestä materiaalista jää käyttämättä ja päätyy jätteeksi. Pelkästään Suomessa syntyy vuositasolla satoja kiloja tällaista jyrsintäkiekkojätettä, jota ei tällä hetkellä hyödynnetä uudelleen.
Kiertotalouden näkökulmasta täytyy löytää keinoja, joilla muovimateriaali saataisiin takaisin käyttöön sen sijaan, että se päätyy hukkaan. Yksi vaihtoehto on jyrsintäkiekkojätteen hyödyntäminen 3D-tulostuksessa käytettäväksi filamentiksi.
Kierrätetyn PMMA:n hyödyntäminen filamentin valmistuksessa perustuu mekaaniseen kierrätykseen, jossa jäte ensin murskataan ja jauhetaan hienojakoiseksi materiaaliksi. PMMA-jyrsintäkiekot ovat yleensä ristisilloitettuja eivätkä tästä syystä sula. Tämän vuoksi PMMA-jyrsintäkiekko täytyy jauhaa hienoksi jauheeksi, jotta sitä voidaan hyödyntää filamentin täyteaineena. Jyrsintäkiekkojauhe voidaan sekoittaa neitseelliseen PMMA:han ja prosessoida ekstruusiolla filamentiksi. Ekstruusioprosessissa materiaali sulatetaan ja puristetaan suuttimen läpi tasapaksuksi langaksi, joka jäähdytyksen jälkeen soveltuu 3D-tulostimeen.
Opinnäytetyössä tutkittiin erityisesti sitä, kuinka suuri osuus kierrätettyä jyrsintäkiekkojauhetta voidaan lisätä filamenttiin ilman, että sen laatu heikkenee liikaa. Tulosten perusteella kierrätysmateriaalia voitiin käyttää 20–30 % seoksissa siten, että filamentti säilytti hyvät mekaaniset ominaisuutensa ja soveltui 3D-tulostukseen. Lisäksi valmistetut näytteet täyttivät taivutuslujuuden osalta hammaslääketieteellisille materiaaleille asetetut standardivaatimukset. Alla olevasta kuviosta havaitaan, että 20 % ja 30 % kierrätettyä PMMA jauhetta sisältävien seosten taivutuslujuus on korkeampi kuin puhtaan PMMA:n ja 5 %:n seoksen. ISO 20795 1:2013 standardin mukaan hammasproteesien pohjapolymeerien taivutuslujuuden tulee olla vähintään 65 MPa lämpöpolymeroituville materiaaleille.
Kierrätetyn materiaalin hyödyntäminen filamentin täyteaineena vähentää muovijätteen määrää ja neitseellisen muovimateriaalin tarvetta. Samalla prosessi tukee kestävää kehitystä ja vähentää valmistuksen ympäristövaikutuksia. PMMA-jyrsintäkiekkojätteen uusiokäyttö 3D-tulostusfilamentin täyteaineena neitseellisen materiaalin kanssa on toimiva ja lupaava ratkaisu. Jatkossa tärkeää on kehittää prosessin toistettavuutta ja optimoida valmistusmenetelmiä, jotta kierrätettyä PMMA:ta voidaan hyödyntää laajemmin teollisessa mittakaavassa.
Artikkeli on osa Uudet materiaalit ja prosessit -tutkimusryhmän julkaisuja.
Lähteet:
3DPrint.com. (22.10.2019). Industrial sustainability: Recycling – CLIFF brings 3D printing plastics full circle. https://3dprint.com/250722/industrial-sustainability-recycling-clifff-brings-3d-printing-plastics-full-circle/