Hace ya un tiempo que hablábamos en el blog del impacto ambiental de la impresión en 3D, y es un tema que no deja de interesarnos, pues creemos que conseguir un método de manufactura que proteja cada vez más el medio ambiente es uno de los puntales sobre los que se asienta nuestra afirmación de que la impresión 3D constituye una nueva revolución industrial. Si bien es verdad que en el post  mencionado hablábamos maravillas a este respecto, y no éramos los únicos que estábamos esperanzados respecto a que la impresión 3D era de por sí más “verde” que la manufactura convencional, viendo algunos estudios realizados al respecto, y dado que empezamos el año y es época de hacerse con nuevos y buenos propósitos,  pues es también un buen momento de recapitular y observar un poco más de cerca y con un punto de vista algo más escéptico  la huella ecológica de esta tecnología (expresada como huella de carbono), basándonos en  los mismos puntos; la escala de producción, los materiales, y el ciclo de vida de los productos fabricados.

 1. La escala de producción

 Desde el punto de vista de la escala de producción, un estudio de Cuboyo  publicado en septiembre de 2013 comparaba la producción convencional (considerando como tal la inyección en moldes) con distintas impresoras en 3D. La hipótesis que se manejaba era que la impresión 3D reduciría la utilidad de la producción en masa, ya que en esta la innovación estaría constreñida por las economías de escala, según las cuales los productos ven disminuir su precio al aumentar el número de unidades producidas. Los cálculos usados para el estudio fueron realizados por  Quantis, una agencia especializada en la asesoría ambiental situada en Lausana (Suiza) y Boston (Massachusetts, EEUU), y se comparaban tres distintas impresoras 3D de diferentes costes con la producción usando inyección en moldes. Además, en el estudio se asumieron otras premisas: en cuanto a los materiales, para ambos procedimientos se usaron polipropileno y ácido poliláctico; el  tiempo estándar de producción se establece en 50 minutos en ambos métodos para calcular el coste energético (electricidad); y se compara la producción en masa (producción de una variante un millón de veces) con la producción personalizada (producción de un millón de variantes una sola vez). Los resultados del estudio mostraron (ver gráfico abajo) que, por un lado, la manufactura clásica no está preparada para  bajos volúmenes de producción, en términos de impacto ambiental; sin embargo, por otro lado, la técnica de impresión 3D no puede competir con la inyección en moldes para la producción de grandes volúmenes.  Las tecnologías de impresión 3D serían, según este estudio, interesantes desde el punto de vista ecológico para la producción a pequeña escala (menos de 1000 piezas), en comparación con la tecnología tradicional de inyección en moldes; además, e independientemente de la calidad de la impresora 3D utilizada, el impacto ambiental de la impresión 3D es menor en volúmenes de producción inferiores a 300 réplicas

 Figura 1: Huella de carbono producida por la fabricación de carcasas de iPhone 5, utilizando impresión 3D e inyección en moldes. 

Fuente: http://www.cuboyo.com/environmental

En cuanto al coste adicional del transporte en la fabricación centralizada, frente al ahorro derivado de construir de forma descentralizada, los estudios coinciden en el ahorro que supone en este aspecto la impresión 3D.

2. Materiales y gasto energético.

En cuanto a los materiales, en el anterior artículo apuntábamos los más utilizados en la mayoría de impresoras, tanto industriales como caseras, que eran el plástico ABS (derivado del petróleo), pero también los bioplásticos derivados de almidón de maíz (PLA). Existen muchos investigadores en ciencias de los materiales que continuamente buscan nuevas materias primas, entre ellas, la pasta de papel o de madera procedentes de desechos industriales, por ejemplo para uso en arquitectura o diseño industrial, tal como afirmaba en esta entrevista a Ronald Rael, o filamentos procedentes de algas marinas.

Desde el punto de vista ambiental, el ahorro de recursos procede tanto de la selección de los materiales, como de la cantidad de material utilizado en la producción.  A este respecto, el proyecto ATKINS. originado hace ya unos años (2008) por un  grupo de investigación de la Universidad de Loughborough al que se unieron otros colaboradores (entre ellos, MTT Technologies, Boeing, o Bentley) se puso como objetivo analizar el impacto ambiental de la impresión 3D, en comparación con la producción “tradicional”. En concreto, se investigó sobre la producción de piezas metálicas con procesos de sinterización para el sector de la automoción y aeroespacial. En principio, el grupo trabajó con polímeros también, pero chocaron con una inesperada realidad; en efecto, y al contrario de lo que se creía (y que nosotros mismos escribimos en el anterior artículo) no todo el polvo de polímero que no ha sido fundido para formar la pieza en el proceso, puede ser reutilizado en piezas posteriores. Sin embargo, en los procesos con metal, el polvo si puede ser reutilizado, por lo que el residuo generado es mucho menor ( así como el gasto de material).

En el caso de los plásticos, Tyler McNaney, director de Filabot, cree que es importante que la industria de la impresión 3D trabaje en este sentido, reutilizando el material de los prototipos fallidos. Para ello, existen  también máquinas capaces de reciclar plásticos ya utilizados, pero la calidad del material disminuye en cada ciclo  de reutilización y es más fácil de romper, por lo que los usuarios son reacios a su adopción.

Otra ventaja de la impresión 3D  en cuanto al ahorro de materiales es la producción de piezas sin necesidad de crear los moldes utilizados en la producción “tradicional”.

Tiskaj-ZELENO-Grass-3D-Printer-537x405Por otro lado, la manufactura aditiva puede producir piezas un 50% más ligeras que otras técnicas de inyección en moldes, lo cual es de suma importancia en la industria automovilística y espacial, pues un menor peso se convierte en un ahorro de combustible durante la fase de uso, y esto a su vez se traduce en menor cantidad de emisiones, que pueden ser del orden de cuatro veces menor. Este es un aspecto destacable tanto por parte de Boeing como de Bentley, aplicable a otras marcas de coches de lujo conocidos por su elevado peso y emisiones.   La ventaja de crear piezas huecas, más ligeras y con menor requerimiento de materiales, también ha sido descrita en un estudio realizado por dos científicos del MIT.

Sin embargo, tanto el estudio del proyecto ATKINS como el del MIT resaltan que a la hora de evaluar la sostenibilidad de la impresión 3D hay que tener en cuenta tanto los materiales, como los requerimientos energéticos de las impresoras.  A este respecto, el estudio de ATKINS encontró que las impresoras 3D que usan calor o una fuente de energía (láser, UV) para derretir el plástico consumían 100 veces más energía eléctrica que la fabricación tradicional para producir un objeto del mismo peso. Al comparar ambos procedimientos, la inyección en moldes produce 1000 piezas a la hora, mientras que la impresora de sinterización que utilizaron producía 100 piezas al día utilizando la misma cantidad de energía. Por su parte, el estudio del MIT consideraba la impresión 3D ventajosa sólo en el caso de utilizar células fotovoltaicas como fuente de energía independientemente del material utilizado, debido a la gran cantidad de energía necesaria para mantener la temperatura adecuada  en la cama caliente de la impresora (en este caso, una RepRap Mendel Prusa), aspecto que puede mejorarse utilizando sustancias químicas  para favorecer la adhesión, calentando sólamente la parte de la plataforma de impresión necesaria, aislando mejor la plataforma, o utilizando una cámara  que aisle térmicamente la impresora. Por su parte, el estudio de Cuboyo mostró también que las impresoras de mayor calidad consumen más cantidad de energía que las de bajo coste

Este punto está a su vez relacionado con la cuestión de las escalas y el uso de energías renovables, claves para una producción más acorde con los retos ambientales que nos acechan. Una de los argumentos utilizados a menudo en contra de estas fuentes es que no pueden proveer, a un precio razonable, la cantidad de energía necesaria para las escalas de producción actuales. Sin embargo, ¿es posible que pequeñas cantidades de energía obtenida de fuentes renovables pueda ser obtenida  y utilizada para pequeños volúmenes de producción?

Otro aspecto de la impresión 3D relacionado a la vez con la disminución de la escala de producción (concretamente, a nivel doméstico o  pequeño taller) y la contaminación ambiental, es la emisión de partículas, según se lee en un reciente estudio publicado en una revista científica . Muchas impresoras de escritorio de fabricación comercial  se basan en la extrusión y deposición de material termoplástico calentado, que  en el proceso de impresión producen emisiones significativas de tamaño aerosol, denominadas partículas ultrafinas (UFP) cuyo diámetro es inferior a 100 nm.  Estas partículas son importantes desde el punto de vista de la salud, porque se depositan en las vías respiratorias.  Según el mismo artículo, en el caso del plástico ABS, se generan además gases como monóxido de carbono y cianuro de hidŕogeno, entre otros compuestos volátiles.  En es estudio se comparó las emisiones procedentes de dos tipos de impresoras de oficina utilizando como materia prima dos tipos de plástico, ABS y PLA, encontrándose que estas eran altas sobre todo en el caso del plástico ABS, No obstante y para no caer en el alarmismo, hay que indicar que los niveles de emisiones de partículas descritos se compararon con otro estudio en el que medían las emisiones de partículas ultrafinas generadas al cocinar, y se comprobó que (en la impresión 3D con ABS) las emisiones serían equivalentes a los de cocinar la comida en un horno de gas o eléctrico a baja potencia, y menores que los resultantes al cocinarla en estos dispositivos a alta potencia.  Aún así, y dado que estos dispositivos son vendidos  sin incluir accesorios para una ventilación o filtración adecuadas, los resultados descritos hacen aconsejable la precaución en su uso, sobre todo en estancias poco ventiladas.  Por otro lado, el artículo concluye que son necesarios posteriores experimentos utilizando un mayor rango de impresoras 3D  y materiales.

Figura 2. Comparación de emisiones de UFP en la impresión 3D con PLA y ABS. 

Fuente: Stephens, B.; Azimi, P.;  El Orch, Z.; and  Ramos, T.  (2013)  Ultrafine particle emissions from desktop 3D printers,

Atmospheric Environment, Volume 79, Pages 334-339

3. Ciclo de vida del producto y  aplicaciones con fines ambientales.

En el actual artículo hemos podido ver otros aspectos relacionados con el ciclo de vida; por ejemplo, la posibilidad de crear piezas más ligeras afecta al uso del objeto, por ejemplo el consumo de combustible y las emisiones generadas con ello. A este respecto. también nos remitimos a lo apuntado en el anterior artículo de este blog sobre impresión 3D y medio ambiente: la posibilidad de ampliar el ciclo de vida de un producto al poder imprimir una pieza de forma aislada, que no podríamos adquirir de otra forma (viéndonos obligados a comprar el producto completo otra vez), o dando nuevos usos a los productos añadiendo piezas impresas en 3D. De este modo, podríamos decir que la “sostenibilidad” depende de la utilidad que se dé a esta tecnología.

Como colofón, podríamos añadir algunas aplicaciones de la impresión 3D relacionadas con la protección medioambiental y que cuanto menos, resultan curiosas. Por ejemplo, la protección y cuidado de la fauna salvaje, a través de prótesis que les permitan continuar vivir en libertad; o incluso de ecosistemas completos en peligro, tales como los del Golfo Pérsico, imprimiendo arrecifes que sirvan de base a corales, esponjas y otros organismos sésiles; o incluso, y volviendo al tema de la energía, fabricando células fotovoltaicas y otros objetos que lleven integrado el uso de la energía solar, reduciendo así las emisiones de gases de efecto invernadero, como el CO2. Y si lo que queremos es reducir estas emisiones de efecto invernadero, podemos también…. imprimir plantas vivas, utilizando como material una mezcla de agua, arcilla y semillas vivas que den lugar a pequeños jardines, tal y como se ve en el vídeo que daba comienzo a este post.

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