A 3D nyomtatás felhasználása a mezőgazdaságban

A 3D nyomtatás az utóbbi években elkezdte forradalmasítani a különböző iparágakat, és természetesen a mezőgazdaság sem maradhat ki a változásokból. A mezőgazdasági eszközök költséghatékony és fenntartható módon gyártásához lehetőséget ad a 3D nyomtatás alapanyagainak széles skálája, mint a PLA, ABS, PET-G, PA-6 és PP. A hagyományos gyártási technikákhoz képest a 3D nyomtatás előnyei közé tartozik a gyorsaság, testreszabhatóság, alacsony hulladéktermelés. A cikk célja, hogy bemutassa a leggyakoribb 3D nyomtatási alapanyagok mezőgazdasági alkalmazásait, előnyeit és kihívásait.

3D nyomtatásról és alapanyagairól röviden

A 3D nyomtatás, más néven additív gyártás, az elmúlt évtizedekben forradalmasította a gyártási iparágakat, lehetővé téve a bonyolult alkatrészek gyors, költséghatékony és személyre szabott előállítását [1]. A technológia számos előnyt kínál a mezőgazdaságban; személyre szabott alkatrészeket és szerszámokat lehet készíteni, környezetbarát anyagok felhasználásával, például előtérbe került a PLA (politejsav) felhasználása, mely biológiailag lebomló műanyag [2].

A 3D nyomtatás lehetőséget ad a mezőgazdasági eszközök helyben történő előállítására, csökkentve ezzel a szállítási költségeket és az időt, valamint gyorsan pótolhatjuk, javíthatjuk a kopó alkatrészeket. A mezőgazdasági automatizálás növekedésével a 3D nyomtatás szerepe tovább erősödhet, mivel lehetővé teszi az egyedi és költséghatékony megoldások alkalmazását [3].

A 3D nyomtatás alapanyagát körültekintően kell megválasztani, mivel kulcsfontosságú, hogy milyen alkalmazásra kerülnek felhasználásra, a mechanikai, hőmérsékleti, esztétikai tulajdonságokat figyelembe véve. A legelterjedtebb 3D nyomtatási alapanyagok közé tartozik a PLA (politejsav), ABS (akrilnitril-butadién-sztirol), PET-G (polietilén-tereftalát-glikol), PA-6 (poliamid 6) és PP (polipropilén).

A PLA biológiailag lebomló anyag, amely környezetbarát alternatívát kínál, és gyakran alkalmazzák prototípusok és kisebb eszközök gyártására [1]. Az ABS egy szintetikus műanyag, amely erősebb és hőállóbb tulajdonságokkal rendelkezik, így ideális a mechanikailag igénybevett alkatrészekhez [2]. A PET-G egy tartós és könnyen nyomtatható anyag, amely kiváló ütéssel szembeni ellenállást biztosít [4] (Liu et al., 2021). A PA-6, más néven nylon, rendkívül erős és kopásálló, amit különösen a gépalkatrészeknél használnak [5]. A PP egy könnyű és rugalmas anyag, amely jól ellenáll a vegyi anyagoknak és az UV-sugárzásnak, ezért gyakran alkalmazzák mezőgazdasági és ipari környezetben [6].

Az anyagok tulajdonságai, mint a szilárdság, rugalmasság, hőállóság és környezetbarátság, különböző iparágakban, így a mezőgazdaságban fontos szerepet játszanak az élettartam és az alkalmazhatóság tekintetében.

A mezőgazdasági automatizálás növekedésével a 3D nyomtatás szerepe tovább erősödhet – fotó: pixabay.com

PLA, mint 3D nyomtatási mezőgazdasági alapanyag

A politejsav (PLA) a mezőgazdaságban népszerű anyagnak számít felhasználhatóságát tekintve, mivel könnyen nyomtatható és olcsó megoldást kínál különböző eszközök és alkatrészek előállítására. A PLA egy biológiailag lebomló, kukoricakeményítőből és cukornádból előállított polimer, melyet széles körben alkalmaznak [7].

A PLA egyik legfontosabb felhasználási területe a szerszámok és alkatrészek gyártása. Kisebb kéziszerszámok, például kapák és gereblyék, valamint öntöző- és permetezőrendszerek komponensei is PLA-ból készülhetnek, csökkentve ezzel a hagyományos műanyagok környezeti terhelését [8]. Emellett a növényvédelemben is hasznosítható, például növényjelölők, vetőmag adagolók és palántázó tálcák formájában, amelyek idővel lebomlanak a talajban, így nem hagynak hátra műanyag hulladékot.

A PLA alkalmazása megjelenik a precíziós mezőgazdaságban is, mint például érzékelők és mérőeszközök burkolatainak gyártásánál. Készülnek belőle talajnedvesség-érzékelők, hőmérséklet szenzorok házai könnyű formázhatósága és alacsony előállítási költsége miatt. A PLA előnyös kis- és közepes méretű gazdaságok számára, amik kis költségvetéssel dolgoznak a gyors fejlesztési lehetőségek lekövetésére [9].

A PLA alapú megoldások jelentős fejlődésen mentek keresztül az utóbbi évtizedekben az állattartás területén is. Készülnek 3D nyomtatással takarmányadagolók, ivóvíz-adagolók és karámelemek egyedi tervezésű alkatrészekből, biztosítva a könnyű cserélhetőséget és az alacsony gyártási költségeket. Előszeretettel alkalmazzák a méhészetben is, kaptárkeretek vagy belső elválasztók készülnek belőle, amelyek a méhek egészségét és termelékenységét is elősegíthetik [7].

ABS, mint 3D nyomtatási mezőgazdasági alapanyag

Az akrilnitril-butadién-sztirol (ABS) egy sokoldalú és nagy szilárdságú hőre lágyuló műanyag, 3D nyomtatással létrehozott termékeit egyre szélesebb körben használják a mezőgazdaságban, mivel a modern gyártástechnológiák lehetővé teszik a precíz és gyors alkatrészgyártást. Az ABS legfontosabb előnyei közé tartozik a magas mechanikai szilárdság, a kopásállóság és a hőállóság, amelyek alkalmassá teszik nagy igénybevételnek kitett alkatrészekhez történő felhasználására. Kutatások szerint az ABS-ból készült gépalkatrészek, például fogaskerekek és csapágyházak jelentős előnyökkel rendelkeznek a hagyományos fém alkatrészekhez képest, mivel könnyebbek és nem rozsdásodnak [10].

A mezőgazdasági gépgyártásban az ABS különösen népszerű, mivel ellenáll az ütésnek és a folyamatos igénybevételnek, így az ABS-ből készült burkolatok és védőházak megvédik a mechanikai és elektronikai alkatrészeket a sérülésektől és az időjárási hatásoktól [11]. Ezenkívül a csatlakozók és adapterek gyártása is egyre inkább az ABS felhasználásával történik, mert a hőállóságuk lehetővé teszi, hogy szélsőséges hőmérsékleti viszonyok között is működőképesek maradjanak [12]. Egyre gyakrabban használják az ABS-t öntözőrendszerek területén, a csepegtető rendszerek csatlakozóinak és szűrőházainak élettartama megnőtt az ABS alkalmazásával [13], mivel nem korrodálódnak. A szilárdságának, időjárásállóságának és könnyű tisztíthatóságának kihasználására az állattartásban takarmányadagolókat, automata etetőket valamint ivóvízrendszer-szelepeket készítenek belőle [14].

Mindazonáltal az ABS-nek hátrányai is vannak. Nyomtatása nehezebb, mint a PLA anyagé, mert hajlamos a deformációra hűlés közben, így zárt és fűtött nyomtatótér ajánlott a megfelelő nyomtatási minőség érdekében. Emellett az ABS nyomtatása során mérgező gázok szabadulhatnak fel, amelyek egészségügyi kockázatokat jelenthetnek, ezért ajánlott HEPA szűrővel ellátott nyomtatót vagy jól szellőző környezetet használni [15-16].

PET-G mint 3D nyomtatási mezőgazdasági alapanyag

A polietilén-tereftalát-glikol (PET-G) egy sokoldalú és nagy ütésállóságú hőre lágyuló műanyag, amely egyre népszerűbb a 3D nyomtatással készült mezőgazdasági alkalmazásokban. A PET-G legfontosabb előnyei közé tartozik a kiváló mechanikai szilárdság, a kémiai ellenállás és az UV-állóság, amelyek alkalmassá teszik arra, hogy tartós és időjárásálló alkatrészek gyártására használják. A mezőgazdasági szektorban a PET-G alkalmazása egyre elterjedtebbé válik, mivel könnyen nyomtatható és ellenáll a nedvességnek, ami előnyt jelent a szabadtéri használat során [17].

A mezőgazdasági gépgyártásban a PET-G különösen népszerű az olyan alkatrészek esetében, amelyeknek nagy szilárdságot és rugalmasságot kell biztosítaniuk. Az ilyen anyagból készült burkolatok és védőházak megvédik a mechanikai és elektronikai alkatrészeket a külső behatásoktól és az időjárási viszontagságoktól. Emellett a PET-G-ből készült csatlakozók és adapterek kiemelkedő kémiai ellenállóságuknak köszönhetően alkalmasak mezőgazdasági vegyszerekkel való érintkezésre, így hosszabb élettartamot biztosítanak [18-19].

A PET-G másik nagy előnye, hogy könnyen nyomtatható, kevésbé hajlamos a deformációra és nincs kellemetlen szaga a nyomtatás során, ami biztonságosabbá teszi a használatát beltéri környezetben is az ABS-hez képest, valamint újrahasznosítható is, így jobb környezetvédelmi alternatívát jelent [20]. Ennek ellenére érdemes figyelembe venni, hogy a PET-G hajlamosabb a karcolódásra, mint az ABS, és hőállósága valamivel alacsonyabb, így egyes magas hőmérsékletű alkalmazásoknál nem feltétlenül a legjobb választás [21].

Összefoglalás

A 3D nyomtatás különböző műanyagok alkalmazásával jelentős előnyöket kínál a mezőgazdaság számára. Az ABS erős és tartós, ideális mezőgazdasági gépekhez és szerszámokhoz. A PLA környezetbarát és könnyen nyomtatható, kisebb eszközökhöz használható, de vegyi anyagokkal való érintkezésre nem alkalmas. A PET-G jól ellenáll a hőnek és vegyi anyagoknak, így ideális öntözőrendszerekhez és vízelvezető rendszerekhez.

A jövőben további anyagok kerülhetnek fókuszba, a folyamatos kutatás és fejlesztés eredményeként új, továbbfejlesztett anyagvariánsok jelenhetnek meg, amelyek csökkenthetik a nedvességfelvételt, javíthatják a hőállóságot és kopásállóságot, tovább növelve a 3D nyomtatással készült termékek alkalmazhatóságát a mezőgazdaságban, még több eszköz és gép alkatrészeként, hozzájárulva ezzel a mezőgazdaság fenntartható fejlődéséhez.

Szerzők:

Agócs Csilla¹, Dr. Zsidai László²

¹ Műszaki Tudományi Doktori Iskola, Magyar Agrár- és Élettudományi Egyetem, Gödöllő

² Anyagtudományi és Gépipari Folyamatok Tanszék, Magyar Agrár- és Élettudományi Egyetem, Gödöllő