Orodje za ocenjevanje okoljskega vpliva aditivne proizvodnje

Na podlagi vhodnih parametrov to orodje izračuna štiri vrednosti:

1. Energija procesa tiskanja: To je ocenjena poraba energije tiska. Za formule glejte razdelek »Modeli za izračun porabe energije«.
2. Emisije procesa tiskanja: To so emisije toplogrednih plinov (TGP), ki nastanejo zaradi porabe energije procesa tiskanja. Izračunane so iz energije procesa tiskanja z uporabo podatkov o povprečni intenzivnosti TGP v energetski mešanici EU (podrobnosti glejte v spodnjem razdelku »Formula za skupne emisije TGP«). Emisije TGP so izražene v gCO₂eq.
3. Emisije izbranih materialov: To so emisije TGP, ki nastanejo pri proizvodnji tiskarskega materiala (od surovin do plastičnega materiala, uporabljenega pri tiskanju). Za oceno smo uporabili razpoložljive podatke iz podatkovnih baz LCA (analiza življenjskega cikla) in posameznih študij LCA (glejte spodnje vire). Emisije TGP so izražene v gCO₂eq.
4. Skupne emisije (proces tiskanja + material): Skupne emisije dobimo s seštevanjem emisij procesa tiskanja in emisij materialov. Drugi viri emisij, kot je transport, niso zajeti v tem orodju.

Orodje je zasnovano kot preprost, vendar hkrati dovolj dober vpogled v približne vrednosti emisij na podlagi razpoložljivih podatkov o najpomembnejših dejavnikih.

• Energija: Megajoule (MJ)

• Moč: Watt (W)

• Čas tiskanja: minute (min)

• Prostornina: kubični centimetri (cm³)

• Temperatura: stopinje Celzija (°C)

• Masa: kilogrami (kg)

Spodaj so navedeni modeli, ki se uporabljajo za izračun porabe energije v procesu tiskanja, na podlagi tehnologije in vhodnih parametrov.

FFF (Fused Filament Fabrication)

Za tehnologijo FFF lahko izbirate med dvema modeloma izračuna:

Model nazivne moči:

E = 0.431 · 10^-6 · P · t · 60

kjer sta vhodna parametra:

• P = Nazivna moč (W)

• t = Čas tiska (min); faktor 60 je uporabljen za pretvorbo iz minut v sekunde

Ta model uporablja moč (ali velikost) tiskalnika kot napovedovalec porabe energije. Uporaben je za primerjavo različnih velikosti tiskalnikov. Izračun temelji na modelu, ki sta ga predlagala D. Manford in H. D. Budinoff. (Manford, Budinoff, 2024).

Model temperaturno-časovne regresije (Temperature-time Regression, TTR):

E = -56 · 10^-3 MJ + 7 · 10^-6 MW/°C · T_E · t  + 89 · 10^-6 MW/°C · T_B · t

kjer so vhodni parametri:

• T_E = Temperatura ekstruderja (°C)

• T_B = Temperatura grelne plošče (°C)

• t = Čas tiska (min)

Ta model uporablja temperaturo grelne plošče in ekstruderja kot napovedovalca porabe energije. Uporaben je za primerjavo različnih nastavitev in materialov, ki zahtevajo različne temperature. Izračun temelji na modelu, ki so ga predlagali N. Hopkins in sodelavci. (Hopkins et al., 2021).

SLA (Stereolithografija)

E = 20.4 W · 10^-6 · t · 60

kjer je vhodni parameter:

• t = Čas tiska (min)

To je empirični model, ki so ga opisali N. Hopkins in sodelavci. (Hopkins et al., 2021). Poraba energije je bila neposredno izmerjena z SLA tiskalnikom Formlabs Form 1+, ki ima 60 W napajalnik. Povprečna dejanska poraba energije med tiskanjem je bila 20,4 W. Model ne vključuje naknadne obdelave.

SLS (Selective Laser Sintering)

E = 10^-6 · P · t · 60

kjer so vhodni parametri:

• P = Povprečna moč (W); Ker nismo našli nobenih zanesljivih modelov moči, preizkušenih na različnih tiskalnikih SLS, kalkulator uporablja tri približne kategorije za dejansko porabo energije, ocenjene iz tehničnih podatkovnih listov:

  • Majhen SLS tiskalnik: 2 kW
  • Srednji SLS tiskalnik: 5 kW
  • Velik SLS tiskalnik: 10 kW

• t = Čas tiska (min)

Ta izračun temelji na osnovnem razmerju med povprečno močjo, časom in energijo. Odpadki prahu niso vključeni v ta model in jih je treba upoštevati dodatno.

Skupne emisije TGP izračunamo tako, da se seštejemo emisije iz procesa tiskanja in emisije iz proizvodnje materialov. Ostali viri emisij, kot je na primer transport, niso vključeni v ta kalkulator. Uporabljena je naslednja formula:

GHG_total = E · 258 gCO₂eq ⁄ 3.6 MJ + V · ρ · EI_m

Prvi del enačbe ustreza emisijam procesa tiskanja in se izračuna iz porabe energije procesa in povprečne intenzivnosti emisij TGP v energetski mešanici EU:

• E = Poraba energije med tiskanjem (v MJ) – glej razdelek “Modeli za izračun porabe energije” za podrobnosti

• 258 gCO₂eq/kWh (1 kWh = 3.6 MJ) je intenziteta emisij proizvodnje električne energije v EU-27 iz leta 2022 (vir EEA, april 2025)

Drugi del enačbe ustreza emisijam iz proizvodnje materiala, potrebnega za tisk. Količine, uporabljene v izračunu, so:​

• V = Prostornina tiskanega izdelka (cm³) – vnese uporabnik

• EIₘ = Količina emisij na gram materiala (gCO₂eq/g) – glej razdelek “Podatki in viri” za vpogled v podatke, ki so uporabljeni

• ρ = Gostota materiala – glej razdelek “Podatki in viri” za vpogled v podatke, ki so uporabljeni

Spodaj je seznam podatkov o materialih, ki so bili uporabljeni pri izračunih emisij TGP iz proizvodnje materialov (za opise izračunov glejte razdelek »Formula za izračun skupnih emisij« zgoraj). Vključeni so tudi viri podatkov.

PLA (Polylactic Acid) – uporaba v FFF:

• EIₘ = 4.79 gCO₂eq/g (Vir: GaBi LCI baza podatkov, februar 2025)

• ρ = 1.24 g/cm³ (Vir: Prusa, 2022)

ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) – uporaba v FFF:

• EIₘ = 3.22 gCO₂eq/g (Vir: GaBi LCI baza podatkov, februar 2025) *

• ρ = 1.04 g/cm³ (Vir: Simplify3D, 2025)

*Podatki veljajo za granulat – samo ta je bil na voljo v podatkovnih bazah LCI. Izdelava filamenta vključuje dodatne proizvodne korake, kar pomeni, da je vrednost dejansko višja.

PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol) – uporaba v FFF:

• EIₘ = 6.27 gCO₂eq/g (Vir: Kimya, 2023)

• ρ = 1.23 g/cm³ (Vir: Simplify3D, 2025)

TPU (Thermoplastic Polyurethane) – uporaba v FFF in SLS:

• EIₘ = 4.41 gCO₂eq/g (Vir: GaBi LCI baza podatkov, februar 2025) *

• ρ = 1.21 g/cm³ (Vir: Bitfab, 2025)

*V FFF in SLS se uporablja ista vrednost, ker podatkovne baze LCI vključujejo samo eno vrednost. V resnici bi se morali odtisi filamenta in prahu nekoliko razlikovati, ker gre za različne proizvodne procese.

Nylon – uporaba v FFF in SLS:

• EIₘ = 6.57 gCO₂eq/g (Vir: GaBi LCI baza podatkov, februar 2025) *

• ρ = 1.14 g/cm³ (Vir: Simplify3D, 2025) **

*V zanesljivih podatkovnih bazah LCI je bila najdena le vrednost za PA6 – za vse vrste najlona in tako za praškasto kot za filamentno obliko se zato predpostavlja enaka približna vrednost. V resnici bi se morala vrednost do neke mere razlikovati med različnimi vrstami ter med praškasto in filamentno obliko.

**Gostote se razlikujejo – upoštevana je bila zgornja meja razpona.

PC (Polycarbonate) – uporaba v FFF:

• EIₘ = 3.41 gCO₂eq/g (Vir: GaBi LCI baza podatkov, februar 2025)

• ρ = 1.20 g/cm³ (Vir: Simplify3D, 2025)

HIPS (High Impact Polystyrene) – uporaba v FFF:

• EIₘ = 2.18 gCO₂eq/g (Vir: GaBi LCI baza podatkov, februar 2025)

• ρ = 1.04 g/cm³ (Vir: Simplify3D, 2025)

PP (Polypropylene) – uporaba v FFF in SLS:

• EIₘ = 1.63 gCO₂eq/g (Vir: GaBi LCI baza podatkov, februar 2025) *

• ρ = 0.90 g/cm³ (Vir: Simplify3D, 2025)

*Podatki veljajo za granulat – samo ta je bil na voljo v podatkovnih bazah LCI. Proizvodnja filamenta (za FFF) ali prahu (za SLS) vključuje dodatne proizvodne korake, kar pomeni, da so vrednosti dejansko višje.

PPS (Polyphenylene Sulfide) – uporaba v FFF:

• EIₘ = 6.39 gCO₂eq/g (Vir: Ecoinvent 3.8 LCI baza podatkov, februar 2025)

• ρ = 1.35 g/cm³ (Vir: Mitsubishi, 2025)

Standardna SLA smola:

• EIₘ = 3.85 gCO₂eq/g (Vir: Bianchi et al., 2023)

• ρ = 1.23 g/cm³ (Vir: Guang Hu et al., 2019)