BAAM(M) : Big Area Additive Manufacturing (Moka) : materials from spent coffee grounds used for large scale additive manufacturing

The current situation of food waste issue involves globally all the population and it is one of the main responsibilities in generating unsustainable consequences which affect the environment, the society and the economy. To overcome this problem, several solutions have been developed throughout the years, and creating circular composites from the recovery of food waste is recognised as one of the possible pathways that could be followed to reduce the huge amounts that are generated. This thesis project aims to find a way of valorising potentially valuable resources that are however wasted, develop an approach which makes it possible to use 3D printing as a manufacturing technology and find an application field by exploring and exploiting the full potential of this technology from the point of view of shape complexity. The individual contribution of material experimentation, extrusion-based additive manufacturing technologies, and design were fundamental to reach the goal set and to prove that it is possible to generate solutions that nourish new circular economy models. The project is in collaboration with Gianluca Pugliese from Lowpoly and with the team of Coffeefrom, who gently provided all the necessary materials (coffee masterbatch; PLA, LDPE, and HDPE with 10% of coffee). The work concentrates on the valorisation of spent coffee grounds for the creation of thermoplastic composites used for large scale additive manufacturing (LSAM). The output of this research generated an application of this material to the design field and, specifically, to furniture-related products. The overall workflow went through the combination of literature and experimental research: the former, on one hand, was essential to understanding the present state of the art for both products manufactured with LSAM and products made with food waste-based materials which exploited the use of Fused Deposition Modelling (FDM). The latter, on the other hand, was fundamental to understand the given materials’ properties through characterisation techniques, which mainly analysed mechanical, thermal and viscosity properties. The experimental part included, moreover, the application of the material to the Wasp Delta 3MT 3D printer and the identification of an application field. The materials were explored through 3D printing with the use of tools such as material and product libraries, which mainly aimed to collect and analyse samples of material and products. The shape analysis, on the other hand, was explored through the use of non-planar slicing, achieved thanks to the use of a Grasshopper algorithm.

La problematica attuale dello spreco alimentare coinvolge globalmente l’intera popolazione, ed è una delle principali cause di comportamento non sostenibile che va ad influenzare l’ambiente, la società e l’economia. Per limitare i danni di questo problema, sono state sviluppate nel corso degli anni diverse soluzioni che permettono allo stesso tempo la riduzione dello spreco generato e la sua valorizzazione. Tra le diverse alternative, è stato deciso di esplorare la creazione di compositi circolari con scarti alimentari. Il progetto di questa tesi aspira a trovare un metodo per valorizzare delle risorse potenzialmente preziose che però vengono scartate, sviluppare un approccio che renda possibile stampare questi materiali attraverso la stampa 3D, e individuare un campo applicativo sfruttando come leva la piena potenzialità di questa tecnologia di produzione dal punto di vista della complessità formale. Il contributo individuale di questi tre fattori (sperimentazione con materiali, tecnologie di manifattura additiva e design) è fondamentale per raggiungere l’obbiettivo fissato e provare che sia possibile sviluppare soluzioni in linea con i nuovi modelli di economia circolare. Il progetto è in collaborazione con Gianluca Pugliese di Lowpoly e il gruppo di Coffeefrom, che hanno gentilmente fornito i differenti materiali (masterbatch al caffè; PLA, LDPE, HDPE con 10% di caffè). La ricerca si concentra principalmente sulla valorizzazione di caffè esausto per creare compositi termoplastici usati per la stampa 3D di grande formato. Il risultato di questa ricerca ha portato all’applicazione del materiale nel campo del design e, più nello specifico, verso prodotti in ambito di arredamento. Il flusso del lavoro seguito prevede la combinazione di ricerca in letteratura scientifica e sperimentale: la prima è stata fondamentale per comprendere lo stato dell’arte attuale riguardo a prodotti esistenti sia nel campo della stampa 3D di grande formato, sia nel campo dell’utilizzo di scarti alimentari in FDM; la seconda è stata essenziale per analizzare le proprietà meccaniche, termiche e reologiche dei materiali tramite metodi di caratterizzazione. Parte del lavoro sperimentale include, inoltre, l’applicazione del materiale alla stampante Wasp Delta 3MT e l’individuazione di un campo applicativo. I materiali sono stati esplorati tramite la stampa 3D grazie a uno strumento che consiste nella realizzazione di materioteche contenenti campioni di materiali e prodotti, volte principalmente a catalogare e analizzare insieme differenti provini. L’analisi della forma è stata invece approfondita tramite l’uso dello slicing non-planare grazie all’utilizzo di un algoritmo su Grasshopper.