Những năm gần đây, công nghệ in 3D đã đem lại nhiều hy vọng cho cả ngành sản xuất và môi trường. In 3D không chỉ giúp tạo ra những sản phẩm tuyệt vời một cách nhanh chóng chính xác mà còn có thể ảnh hưởng tích cực đến môi trường nhờ việc giảm vật liệu dư thừa khi chế tạo sản sản phẩm, loại bỏ chi phí vận chuyển (vì tất cả các bộ phận có thể cùng làm ở một nơi) và tái chế vật liệu.
Thay thế nhựa nguyên sinh bằng nhựa tái chế. Ảnh minh họa: Istock
Một mục tiêu lâu dài trong cộng đồng in 3D là tái chế nhựa. Do máy in 3D sử dụng "sợi mực” làm từ nhựa nhiệt dẻo nên về mặt lý thuyết, ta có thể tái sử dụng phần lớn nhựa để ngăn chúng không tập kết tại bãi rác. Nhưng thực tế, việc này không dễ dàng.
Phần lớn máy in 3D hiện sử dụng sợi nhựa nguyên sinh từ acrylonitrile butadiene styrene (ABS) và axit polylactic (PLA) để đảm bảo độ linh hoạt và đồng nhất. Hai loại nhựa này đều là nhựa số 7 trong mã nhận dạng nhựa quốc tế và thường không thuộc dạng được tái chế trong các chương trình tái chế của các nước.
Các loại nhựa khác, chẳng hạn như polyethylene perephthalate (PET), polyetylen (PE), polypropylen (PP) và nylon cũng có thể được sử dụng để in 3D nhưng ít được dùng vì chúng yêu cầu thiết bị và phương pháp xử lý chuyên dụng hơn và có thể tạo ra các đặc tính in không mong muốn. Ngoài ra, một số loại nhựa, chẳng hạn như polyvinyl clorua (PVC) có thể không phù hợp để in 3D do giải phóng khí độc hại khi nóng chảy.
Trên thị trường có rất nhiều loại máy in 3D từ các sợi nhựa, nhưng gần như chưa có máy in nào sử dụng nhựa tái chế. Năm 2020, anh Nguyễn Tiến Ước (TP. Thủ Đức) và hai sinh viên Nguyễn Quốc Thịnh và Võ Hoàng Duy (trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã mệt mỏi với việc sử dụng các "sợi mực” nhựa nguyên sinh đắt đỏ lên tới 250.000- 300.000 VND/kg. Vì vậy, họ chế tạo một cỗ máy có thể in trực tiếp bằng rác thải nhựa – chẳng hạn như chai nước ngọt (nhựa PET) hoặc vải dệt, khẩu trang y tế (nhựa PP). Hai loại nhựa này chiếm tới gần 40% lượng rác thải nhựa hiện nay.
"Thiết kế này rất đơn giản. Chỉ cần thay thế một vài bộ phận đùn nhựa là có thể biến một chiếc máy in phổ thông trở thành một máy in nhựa tái chế”, anh Nguyễn Tiến Ước chia sẻ.
Để tận dụng các chai nhựa, họ cắt thành các mảnh nhỏ cỡ 2-3 cm rồi cho vào một bộ phận cấp nhựa tự động. Nhựa sẽ đi qua cây đùn và bộ phận nóng chảy được điều khiển bằng một thiết bị nguồn mở do họ tự thiết kế để xuống đến đầu in. Cuối cùng, nhựa được đùn ra và lắng lại từng lớp trên một tấm bảng giống như bất kỳ máy in 3D nào.
Đặc điểm và cấu tạo của bộ phận đùn nhựa cho máy in 3D từ nhựa tái chế. Ảnh: NVCC
Mặc dù nhựa PET hoặc nhựa PP có một chút thách thức đối với in 3D, nhưng nhờ sự cố vấn đắc lực từ các chuyên gia nghiên cứu vật liệu polymer tại Đại học Bách khoa Hà Nội, nhóm bạn trẻ đã tạo ra được sự kết hợp hài hòa giữa nhiệt độ vòi phun và tốc độ làm mát nhựa. Một khi nắm được bí quyết, họ có khả năng mở ra nguồn cung gần như vô hạn (và miễn phí) đối với vật liệu in 3D tái chế.
Dĩ nhiên, máy in 3D từ nhựa tái chế hiện nay vẫn đang ở chế độ phân giải thấp và chất lượng sản phẩm không quá tinh tế, nhưng nó là một bước khởi đầu cực kỳ ấn tượng trong việc giải quyết bài toán lớn về kinh tế và môi trường. Các vật liệu nhựa tái chế sẽ làm giảm giá thành đầu vào từ 5-10 lần so với hiện tại.
Anh Ước cho biết họ sẵn sàng chuyển nhượng quyền sử dụng, chuyển giao toàn phần các thiết kế này với những cộng đồng, tổ chức xã hội có nhu cầu. Khi đó các trường học hoặc Fab Lab có máy in 3D có thể thu thập chai nhựa tại chỗ và biến chúng thành các sản phẩm hữu ích – chẳng hạn như đồ dùng dạy học hay chân tay giả giúp người tàn tật hòa nhập với cuộc sống.
Thay thế gỗ tự nhiên bằng nhựa tái chế
Không dừng lại ở nhựa tái chế, nhóm của anh Ước còn đi xa hơn trong việc thử nghiệm phối trộn nhựa tái chế với những phế liệu rắn khác.
Họ đã thử xem xét trộn nhựa PET với các phế phẩm xây dựng phổ biến như bột đá, gạch, xi măng, bê tông, cát vụn để tạo ra các sản phẩm in 3D. Một số trở nên cứng và bền hơn, những một số trở nên giòn và dễ gãy. Có rất nhiều công thức phối trộn để tạo ra các hạt vật liệu khả dĩ với những yêu cầu chất lượng khác nhau.
Nhưng điều bất ngờ nhất là khi họ thử phối trộn nhựa PP với bột gỗ, mùn cưa. Kết quả cho thấy, có thể thay thế đến 30-50% vật liệu gỗ tự nhiên bằng nhựa tái chế mà vẫn tạo ra sản phẩm in 3D có độ bền cơ học lớn. Theo anh Nguyễn Tiến Ước, kết quả này mở ra rất nhiều cơ hội để tạo nên những sản phẩm vừa có giá trị kinh tế vừa có giá trị thẩm mỹ cao như bàn ghế, tượng gỗ, đồ trang sức.
Nhu cầu sử dụng đồ gỗ luôn nhiều, nhưng trong tự nhiên gỗ đang bị khai thác quá mức và phế liệu của ngành gỗ chủ yếu đang làm chất đốt. Chính vì thế, việc tái chế vật liệu "gỗ-nhựa” sẽ giúp giải quyết bài toán đầu vào cho nhiều nhà máy đang tìm kiếm các giải pháp bền vững để thay thế gỗ tự nhiên. Hơn thế nữa, với công nghệ in 3D, người ta có thể tạo ra bất kỳ thiết kế độc đáo nào mà các hãng nội thất quan tâm.
Dĩ nhiên, nhựa PP không dễ tái chế và nó có thể tạo ra độ cong vênh. Khi phối trộn với bột gỗ cũng cần thêm các vật liệu hữu cơ khác để tạo thành chất keo gắn kết. Cấu trúc tế bào của gỗ cũng ảnh hưởng đến hình dạng mà gỗ sẽ biến dạng khi khô.
Nhóm của anh Ước hiện chưa có nhiều kiểm nghiệm so sánh lâu dài để khẳng định tính hữu ích của sản phẩm. Do vậy để phát triển thêm vật liệu mới này, anh cho rằng họ cần hợp tác với nhiều doanh nghiệp và chuyên gia để khám phá thêm các bí quyết kiểm soát cấu trúc và phối trộn vật liệu.
Theo Trang Linh / Khoa học và Phát triển
