Evaluation of recycling and circularity of 3D printed polymers

Plastic is one of the most used materials and, due to its massive diffusion it is also at the basis of several problems related to its incorrect management and disposal. One of the main solutions to fight that problem is recycling, recently flanked by the emerging concept of circular economy. To be kept in mind, however, is the fact that by recycling or simply treating/manufacturing the material, it can be subjected to degradation phenomena that may influence its properties. Plastic is also widely used in the field of additive manufacturing and 3D printing, which are sectors in which a relatively high amount of waste can be generated. For this, in this thesis it has been thought to evaluate the effect on the properties of PLA (material commonly used as raw feedstock) of subsequent recycling cycles and reprintings, with the aim of evaluating how many times it can be actually reused. It has been analyzed also the degree of circularity of this process, evaluating the Material Circularity Indicator (MCI) for a printed sample. The study has been performed by printing the material using an industrial BAAM 3D printer for large format pieces, after having ground it mechanically. From chemical-physical analysis performed it has emerged how after 5 recycling (and 6 extrusions), properties like the molecular weight or the viscosity have undergone a significant decrease due to degradation, which, however, has not affected the thermal properties and the characteristic temperatures. Tensile tests performed to evaluate the mechanical properties showed as they are influenced by the degradation, but not too much. The elastic modulus remains basically unvaried while the maximum stress and the stress at break have suffered a reduction of their values lower than 20%. The evaluation of the MCI, finally, has put in evidence the high circularity of the followed process. Based on obtained results, it can be said that it is possible to use the material for multiple 3D printing cycles.

La plastica è uno dei materiali più utilizzati e, a causa della sua enorme diffusione è anche alla base di diversi problemi legati al suo non corretto smaltimento e gestione. Una delle principali soluzioni per combattere tale problema è il riciclo, recentemente affiancato dall’emergente concetto di economia circolare: da tenere in considerazione è però il fatto che, riciclando o semplicemente trattando/lavorando il materiale, esso può essere soggetto a fenomeni di degrado che ne possono inficiare le proprietà. Essendo la plastica molto usata anche in ambito di manifattura additiva e di stampa 3D, ed essendo esso un settore in cui si generano una quantità relativamente elevata di scarti, in questa tesi si è pensato di valutare l’effetto sulle proprietà del PLA (materiale comunemente usato come materia prima) di successivi ricicli e conseguenti ristampe, al fine di valutare quante volte esso possa essere riutilizzato. È stato anche analizzato il grado di circolarità di tale processo, valutando il Material Circularity Indicator (MCI) per un sample stampato. Lo studio è stato effettuato stampando il materiale con una stampante industriale per grandi formati BAAM, dopo averlo macinato meccanicamente. Dalle analisi chimico-fisiche effettuate è emerso come dopo 5 ricicli (e 6 estrusioni) proprietà come il peso molecolare o la viscosità subiscano un calo notevole a causa del degrado, che però non va ad intaccare le proprietà termiche e le temperature caratteristiche. Dai test a trazione eseguiti per analizzare le proprietà meccaniche invece è emerso come esse siano sì influenzate dal degrado, ma non in modo eccessivo: il modulo elastico rimane pressoché invariato mentre sforzo massimo e a rottura hanno subito una riduzione del loro valore inferiore al 20%. La valutazione del MCI ha infine messo in evidenza l’elevata circolarità del processo seguito. Sulla base dei risultati ottenuti, si può quindi dire che è possibile utilizzare lo stesso materiale per cicli di stampa multipli.