• 3D-tulostus
• kiertotalous
• Komposiitit

Biomuovit kiinnostavat yrityksiä tällä hetkellä kovasti, sillä yhä enemmän halutaan eroon fossiiliperäisistä raaka-aineista. Sen lisäksi muovikomposiitit ovat keino vähentää käytetyn muovin määrää tuotteiden valmistuksessa.

Artikkelin aiheena oleva opinnäytetyö tehtiin yritykselle Preloved Coffee Oy. Yrityksellä oli tavoitteena kartoittaa mahdollisuuksia uusiokäyttää käytettyjä kahvinpuruja täyteaineena muovikomposiittiosien valmistukseen. Täyteaineiden sekoitus muoviin on vaihtoehto vähentämään käytetyn muovin määrää materiaalissa kokonaisuutena. Täyteaineilla pyritään usein myös laskemaan kustannuksia tai parantamaan materiaalin ominaisuuksia, kuten kulutuksen kestävyyttä tai lujuutta (Saarela ym 2019). Luonnonkuitujen sekoitus PLA:han on herättänyt kiinnostusta mm. komposiittien keveyden ja veto- ja taivutusominaisuuksien vuoksi (Oksman ym 2003).

Biomuovit on käsitteenä laaja ja se sisältää niin biopohjaiset kuin biohajoavat muovilaadut. Biopohjaiset muovit ovat kasviperäisiä, usein tärkkelyksestä valmistettuja muoveja. Biohajoavaksi luokiteltavat muovit voivat myös koostua öljypohjaisista raaka-aineista. Biohajoavuus määritetään kompostoitumiseksi vähintään 12 viikossa teollisessa tai 6 kuukaudessa kotikompostorissa, jolloin jäljelle jää korkeintaan alle 2 mm kokoisia partikkeleita. Useilla biohajovaksi luokiteltavilla muovilaaduilla on kuitenkin todellisuudessa ongelmia kierrätyksessä ja paras tapa materiaalien ympäristöystävällisyyden kannalta olisikin vähentää muovien käyttöä kokonaisuudessa tai tehostaa muovien kierrätysprosessia. (Kohvakka & Lehtinen 2019.)

Opinnäytteenä valmistettiin erilaisia komposiittimateriaaleja

PLA on biopohjainen polyesteri, jota valmistetaan sokereiden käymisprosessilla maitohaposta. Yleisimmin valmistukseen käytetään renkaanavauspolymerointireaktiota, jossa maitohappo muunnetaan laktidiksi (Helanen 2024). Raaka-aineina toimivat kasvitärkkelykset kuten maissi, sokeriruoko tai sokerijuurikas (Murariu & Dubois 2016). PLA:ta käytetään mm. 3D-tulostukseen ja ruiskuvaluun. PLA on yleisesti 3D-lankatulostuksessa käytetty muovityyppi sen helpon työstettävyyden vuoksi. PLA:n käyttökohteita ovat mm. elintarvikepakkaukset, aterimet ja lääketieteellisisessä käytössä biohajoavat langat ja implantit. Heikkoutena PLA:lla on sen hauraus ja heikko lämpötilan sieto (TWI Ltd. 2024).

Opinnäytetyössä valmistettiin muovikomposiitti PLA:sta komposiitin matriisina ja käytetyistä kahvinpuruista täyteaineena. Tavoitteena oli nostaa täyteaineen määrä mahdollisimman korkeaksi. Käyttökohteeksi materiaalille oli suunniteltu mm. koriste-esineet ja ei mekaanista rasitusta kokevat kappaleet.

Komposiitin valmistus ja testaus jaettiin seuraaviin vaiheisiin:

• Kahvin kuivaus ja partikkelikoon rajoitus seulonnalla
• Kahvin ja PLA-granulan yhteensitominen sekoittimella
• Filamentin valmistus ekstruuderilla ja filamentin granulointi ruiskuvalua varten
• Filamentin testaus 3D-tulostuksella ja granuloiden ajo ruiskuvalulla
• Tulosteiden arviointi ja ruiskuvalukappaleiden testaus vetokoneella.

Koeajojen tuloksena syntyi ensimmäinen versio kahvikomposiittimateriaalista

Ruiskuvalussa kappaleiden valmistus onnistui noin 5-10 kappaleen sarjassa. Kahvi toimi riittävästi kuivattuna hyvin täyteaineena ruiskuvalussa. Kahvin konsentraatiota nostettaessa ongelmaksi muodostui kappaleiden jääminen kiinni muottiin irroitusvaiheessa. Ratkaisuna tähän olisi sellaisen tuotantomuotin suunnittelu, jossa otettaisiin huomioon materiaalin erityisominaisuudet valukanavien muotoilussa ja irroituskohtien sijoituksessa. Ruiskuvalettujen kappaleiden laatua arvioitiin vetokokeilla. Osien vetolujuus, kimmomoduuli ja venymä mitattiin standardin ISO527:2019 Muovit – Veto-ominaisuuksien määrittäminen mukaisesti. Kahvikomposiitteja verrattiin puhtaan referenssi-PLA:n tuloksiin. Kahvikomposiittien vetolujuus ja venymä laskivat, mutta kimmomoduuli pysyi lähes samana kuin puhtaalla PLA.

3D-tulostuksessa käytettiin normaalista 0,4 mm halkaisijan suuttimesta poikkeavia 1,0 mm ja 1,5 mm suuttimia. Suurempi suutin valittiin, jotta suutin ei tukkeutuisi kahvipurupartikkeleiden vuoksi. 3D-tulostuksen laatua arvioitiin visuaalisesti testikappaleilla ja sitä verrattiin kaupallisella PLA-​​filamentilla tulostettuihin kappaleisiin. Tulostetuissa kappaleissa näkyi ongelmia mm. ylipursotuksen kanssa. Tulostuksessa kerrosten välinen adheesio oli hyvä ja testikappaleet saatiin tulostettua kokonaan. Suuren tulostussuuttimen tulostuslaadun parantamiseksi pitäisi vielä tehdä lisätutkimuksia, joissa keskityttäisiin 3D-tulostimen asetuksien säätöön.

Artikkeli on osa Uudet materiaalit ja prosessit – tutkimusryhmän julkaisuja.

Lähteet

Salo, T. 2025. Development of coffee-PLA composite for 3D printing and injection moulding – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.

Kohvakka, J.; Lehtinen, L. 2019. Hyvä paha muovi

Oksman, K.; Skrifvars, M.; Selin, J-F. 2003. Natural fibres as reinforcement in polylactic acid (PLA) composites https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0266353803001039

Murariu, M. & Dubois P. 2016. PLA composites: From production to properties. Referenced 28.11.2024.  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169409X16301028

Saarela, O.; Airasmaa, I.; Kokko, J.; Skrifvars, M. ja Komppa V. 2019. Komposiittirakenteet. Kevra Oy. https://www.lujitemuovi.fi/terminologiajamerkinnat/2-2-raaka-aineet/

Helanen, R. 2024. Karboksyylihappojen kemiallinen ja entsymaattinen polymerointi. https://oulurepo.oulu.fi/bitstream/handle/10024/52949/nbnfioulu-202411296987.pdf?sequence=1

TWI Ltd 2024. What is PLA? (Everything You Need To Know). Referenced 1.11.2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-pla