3D paper : a new sustainable 3D printing material

One of the main problems in 3D printing is the huge waste of material. Many items are created, but they usually have a really short lifetime. The idea was to research and develop a composite for Fusion Deposition Modelling technology, which could be more sustainable both environmentally and economically, employing a low-cost filler, like cellulose obtained from recycled paper. The first part of the research focused on matrix: we started with one based on starch, in order to be able to compost objects after their life cycle. Because of negative results, we switched on a hydrosoluble plastic, which allows the user to collect and recycle waste with paper and cardboard. After finding out the working composite, some tests have been made on its material properties. Mechanical ones showed an interesting ability of elastic deformation before break, depending on the amount of cellulose. Moreover 3D Paper has the ability to self-healing and to be weld with just some water, as the matrix, dissolving, becomes gluey. If waterproof is needed, it is possible to treat the material surface with varnishes, environmentally better if water-based, which protect objects and give them much more durability. 3D paper can be used in many sector like packaging for food or other items, but suits better for models and prototypes. Thanks to its quality of workability on the surface, it can be easily coloured, smoothed with water, worked like cardboard as it has the same aspect and touch. The material aroused interest for the innovation it brings in FDM world. Because of this, we asked for 3D Paper’s patent; the request of italian patent for the industrial invention n. 102015000028276 with the title ”Materiale composito ad alta sostenibilità ambientale” (“Composited material with high environmental sustainability”) to ownership of NextMaterials srl and Politecico di Milano has been filed on 26 June 2015.

I materiali utilizzati nel mondo dell’additive manufacturing, in particolare quella che utilizza la tecnologia di Fusion Deposition Modeling, sono fondamentalmente termoplastici, solitamente riciclabili: ABS, Nylon, PET etc. Nell’ultimo periodo si sono svolte molte ricerche per utilizzare l’amido come polimero, così da svincolare la plastica dal mondo delle risorse non rinnovabili, lo svantaggio è però che materiali come il PLA rischiano di sottrarre suolo fertile all’agricoltura. Per questi motivi, si è avviata una ricerca per sviluppare un nuovo composito in grado di rispettare maggiormente l’ambiente. Materiale alla base della sperimentazione una carica economica: la carta riciclata. Sulla matrice si è concentrato il grosso della ricerca. Innanzitutto è stata testata una matrice di amido, elemento già largamente utilizzato da aziende di cartone e imballaggi, come la Ghelfi Ondulati con cui abbiamo collaborato per lo sviluppo del progetto. L’amido ha dato risultati non ottimali per applicazioni in stampa 3D e si è cambiata prospettiva. Abbiamo riscontrato che una plastica idrosolubile simile al PVA, fornitaci dall’azienda EcoPol, potesse essere la scelta giusta. Dopo numerosi tentativi si è giunti ad una formula ottimale, denominando questo nuovo composito “3D Paper”. Il vantaggio fondamentale è la sostenibilità ambientale e economica che assume il composito. Il filamento, estruso in Ghelfi Ondulati è stato testato con una stampante della Sharebot, azienda che ha supportato la sperimentazione in questa seconda fase. I test di stampa hanno mostrato un materiale polimerico che si discosta moltissimo dall’aspetto che hanno solitamente gli oggetti in plastica. Anche al tatto, gli oggetti in 3D Paper danno una sensazione molto differente rispetto ad esempio all’ABS o al PLA. I metodi di colorazione e funzionalizzazione che possono essere svolti su questo materiale sono molto simili a quelli possibili con la carta. Additivi o vernici sono in grado di rendere il materiale impermeabile e quindi più duraturo. Altra proprietà molto interessante del 3D Paper è la capacità di essere saldato semplicemente utilizzando dell’acqua. Test meccanici sono stati svolti per caratterizzare il materiale. I risultati hanno riscontrato buone proprietà di deformazione elastica prima di rottura. Il 3D Paper è ideale per produrre modellini e prototipi, grazie alle sue caratteristiche, ma può ovviamente essere impiegato in moltissimi altri settori differenti. Questo materiale è stato ritenuto interessante perchè innovativo nel mondo della tecnologia Fused Deposition Modeling. Per questo abbiamo deciso di chiedere il brevetto per il 3D Paper; la domanda italiana di brevetto per invenzione industriale no. 102015000028276 dal titolo ”Materiale composito ad alta sostenibilità ambientale” a titolarità NextMaterials srl e Politecnico di Milano è stata depositata in data 26 giugno 2015.