Kirjoittajat: Mirja Andersson, Stewart Makkonen-Craig, Maiju Holm ja Kristo Lehtonen.
Muovien kierrätys ja 3D-tulostus – kohti kiertotaloutta ja kestävää tuotantoa
Ammattikorkeakoulu Arcadan energia- ja materiaalitekniikan osastolla on viime vuosina panostettu muovin kierrätyksen soveltavaan tutkimukseen useiden kumppaneiden kanssa. Tutkimusaihe liittyy myös käynnissä oleviin englannin- ja ruotsinkielisiin muovitekniikan / prosessi- ja materiaalitekniikan koulutusohjelmiin. Tässä artikkelissa kerrotaan lyhyesti Arcadan TKI-projekteista, jotka kytkeytyvät materiaalikiertojen hallintaan ja kiertotalouteen.
Muoveja tuotetaan globaalisti noin 300 miljoonaa tonnia vuosittain. Euroopan alueella muoviteollisuus työllistää suoraan noin 1,5 miljoonaa henkilöä (PlasticsEurope 2016). Muovimateriaalien käytön tunnetuin globaali ympäristöhaitta on roskaantuminen. Kierrätyksellä voidaan pääsääntöisesti säästää luonnonvaroja ja vähentää muitakin ympäristövaikutuksia, mikäli kierrätysmateriaaleilla ja -tuotteilla korvataan neitseellisiin raaka-aineisiin pohjautuvaa tuotantoa (Eskelinen ym. 2016). Ympäristön mikromuovit (alle 5 mm:n kokoisia muovihiukkasia) ovat peräisin lukuisista kuluttajatuotteista, teollisista prosesseista, maataloudesta sekä liikenteestä ja suurempien muovikappaleiden hajoamisesta luonnossa (Auta ym. 2017). Globaalisti, arvioiden mukaan, noin 1,5 miljoonaa tonnia mikromuovia päätyy vesistöihin vuosittain. (Boucher & Friot 2017.)
Muovien kierrättäminen materiaalina kiertotalousmallin (Ellen MacArthur Foundation 2015) mukaisesti on maassamme vasta kehittymässä (Eskelinen ym. 2016, Seppälä ym. 2016). Suomen ensimmäinen teollisen mittakaavan kierrätysmuovijalostamo käynnistyi 2016 osana Ekokem Oyj:n (nykyisin Fortum Waste Solutions Oy) kehittämää Kiertotalouskylää (Fortum 2017). Arcadan Energia- ja materiaalitekniikan osasto osallistui kierrätysmuovijalostamon tutkimus- ja kehitystyöhön lukuisia insinööriopiskelijoita työllistäneiden projektien ja opinnäytetöiden kautta vuosina 2013–2016.
Arcada oli vuosina 2014-2016 mukana kansallisessa strategisessa tutkimusohjelmassa (CLEEN/CLIC shok) nimeltä ’’Materiaalien arvovirrat /ARVI’’ yhdessä noin 30 kierrätysalan keskeisen tutkimuslaitos- ja yritystoimijan kanssa. Tämä strateginen tutkimusohjelma loi pohjaa kiertotalouden tutkimuksellisena avauksena, materiaalikierron liiketoiminnallisesta näkökulmasta. Eri jätemateriaaleja koskevat tutkimustulokset on koottu tutkimusohjelman loppuraporttiin, joka on verkossa vapaasti saatavilla (ARVI 2017a).
Arcada osallistui ARVI-tutkimusohjelmassa muovien kierrätykseen erikoistuneeseen työryhmään, ja mukaan saatiin myös ilahduttavan suuri joukko aiheesta kiinnostuneita insinööriopiskelijoita projekti- ja opinnäytetöineen (ARVI 2017b). Muovien kierrätyksen suuria ongelmia ovat muovilaatujen suuri määrä ja kuluttajaperäisten muovien likaisuus. Yleisesti voidaan todeta, että muovien huolellinen lajittelu ja puhdistus ovat edellytyksiä laadukkaan kierrätysmuovin aikaansaamiseksi (Mylläri ym. 2016). Pakkaukset ovat merkittävin muovin käyttökohde, ja siten myös merkittävin muovijätteen lähde maassamme (Dahlbo ym. 2018). Materiaalikierrätyksen kannalta haasteellisimpia pakkausmateriaaleja ovat tyypillisesti kemiallisesti useampaa eri muovia sisältävät elintarvikepakkaukset (Häsänen 2016).
Hajautettuna tuotantomallina 3D-tulostuksella on mahdollisuuksia parantaa tuotteiden valmistuksen kestävyyttä ympäristönäkökulmasta (Gebler ym. 2014, SYKE 2017), mutta nopeasti kehittyvään teknologiaan liittyvää tutkimusta myös ympäristönäkökulmasta tarvitaan lisää (Kohtala, 2014). Arcadassa 3D-tulostukseen liittyvä tutkimustyö käynnistyi vuonna 2013 ensin immateriaalioikeuksiin liittyen, koska teknologia mahdollistaa myös tuotteiden nopean kopioimisen (Enqvist & Andersson 2013). ARVI-tutkimusohjelman materiaalikierrätysteeman ansiosta Arcadassa kiinnostuttiin kuitenkin erityisesti kierrätysmuovien käytöstä 3D-tulostuksen raaka-aineena. Vuosina 2016–2017 toteutetussa Kierrätysmuovien 3D-tulostuksen sovelluslaboratorio -projektissa tutkittiin kierrätysmuovien käyttöä 3D-tulostuksessa Arcadan, Turun Ammattikorkeakoulun ja Suomen Ympäristökeskuksen sekä yritysten yhteistyönä. Loppuraportti julkaistiin projektin verkkosivuilla sähköisessä muodossa (3DPlast 2017). Tutkimusaihe kiinnosti insinööriopiskelijoita, joiden projekteja ja opinnäytetöitä valmistui useita (Arcada 2017).
Kierrätysmuovien 3D-tulostuksen sovelluslaboratorio -projektin aikana Arcadassa valmistettiin 3D-tulostuksessa raaka-aineena käytettävää muovilankaa erilaisista kierrätysmuovieristä. Muovilankaa käyttävän 3D-tulostimen raaka-ainekierron päävaiheet on esitetty kuvassa 1. Mikäli kierrätysmuovimateriaalina oli useamman eri muovityypin seos tai jos se sisälsi sekoittumattomia epäpuhtauksia, tulostuslangan laadun hallinta oli haasteellista. Tulos vastaa aiempia tutkimuksia, joiden mukaan muovien huolelliseen lajitteluun ja epäpuhtauksien poistamiseen kannattaa panostaa (Mylläri ym. 2016.)
Arcadan insinööriopiskelijoiden ’’kierrätin’’-projekti start up -yrityksen kanssa
Insinööriopiskelijat motivoituvat teknisistä ja käytännönläheisistä haasteista. Kaksi Arcadassa opiskelevaa tulevaa muovitekniikan insinööriä yhdisti osaamisensa startup-yritys 3DBear Oy:n kanssa ja tuloksena syntyi 3D-tulostettavan muovin kierrätyslaitteisto, jonka toiminta perustuu kuvassa 1 esitetyn kierron tapaan uuden muovilangan valmistamiseen muovijätteestä (kts. laitteiston prototyyppi kuvassa 2). Kompaktin kierrätyslaitteiston konsepti julkistettiin lokakuussa 2017 (3DBear 2017a, HS 2017). Konsepti sekä laitteiston osaluettelo avattiin vapaasti kaikkien saataville ja edelleen hyödynnettäväksi yrityksen englanninkielisten verkkosivujen kautta (3DBear 2017b). Yrityksen julkistaman kierrätyslaitteiston ja 3D-tulostuksen avulla soveltuvia, pieniä muovimateriaalieriä voidaan kierrättää tehokkaasti uusiksi tulosteiksi.
Kierrätyksestä kiertotalouteen insinöörikoulutuksella
Kasvavien ympäristöongelmien lisäksi yhteiskuntaamme haastaa työelämän muutos digitalisaation ja tekoälyn vaikutuksesta (World Economic Forum 2016). Arcadassa käynnissä olevan kolmevuotisen TEKNETIUM -projektin (2016–2019) tavoitteena on yhtäältä kehittää energia- ja materiaalitekniikan koulutusohjelmia vahvistaen ympäristötietoisempaa ajattelutapaa ruotsinkielisten insinöörien keskuudessa, ja toisaalta vastata huimaan teknologiseen kehitykseen (Arcada 2016).
Tulevaisuuden työelämässä kestävän teknologian kokonaisvaltainen ja yhteistoiminnallinen kehittäminen vaatii insinööreiltä modernin oppimisen, työskentelyn ja viestinnän taitojen hallintaa. Globaalien verkostojen merkitys kasvaa teknologian kehityksen synnyttäessä uutta tietoa, joka leviää digitaalisena ja langattomasti nopeammin kuin koskaan aiemmin. Se edellyttää tulevilta insinööreiltä kykyä analysoida nopeasti suuriakin tietomääriä sekä tehdä tietojen pohjalta kestäviä valintoja ja päätöksiä (Andersson & Makkonen-Craig 2017). Käynnissä olevan neljännen teollisen vallankumouksen vaikutukset useissa voimakkaasti kehittyvissä sovelluksissa ja teknologioissa (Schwab 2015, Maynard 2015) vaativat kehittämään perinteistä insinööriosaamista uudenlaista työelämää varten (World Economic Forum 2016).
Yhteenveto
Tutkimus- ja innovaatiotoiminta ovat kiertotalouden kehittämisessä avainasemassa. Uudenlaista kokeilutoimintaa tarvitaan kaikilla sektoreilla, sosiaalisilla, teknologisilla ja kaupallisilla tasoilla (Seppälä ym. 2016). Muovien materiaalikierron hallintaan liittyy vielä paljon kysymyksiä, joihin vastaaminen vaatii runsaasti tutkimusta. Muovien poistaminen kokonaan käytöstä ja korvaaminen muilla materiaaleilla ei ole nykyisillä teknologioilla toistaiseksi realistinen vaihtoehto. Lyhytikäisten muovituotteiden kuten elintarvikepakkausten suunnittelu kierrätettävyys edellä ja jätehuollon parempi hallinta ongelmamaissa voisivat tuoda hieman helpotusta roskaantumiseen.
Kaikki muovit eivät välttämättä sovellu kierrätettäväksi ongelmallisten lisäaineiden vuoksi. Kierrätyskelvottomat muovit ohjataan energiahyödyntämiseen siihen soveltuvissa polttolaitoksissa (Myllymaa ym. 2015). Pidemmällä aikavälillä nykyisiä valtamuoveja voisi ajatella korvattavan muilla kevyillä materiaaleilla kuten puupohjaisilla materiaaleilla pakkaus- ja rakennusteollisuuden tarpeisiin (Setälä ym. 2017). Mielenkiinto vaihtoehtoisia, esimerkiksi sellupohjaisia biohajoavia materiaaleja kohtaan on yleisesti kasvussa. Materiaalien soveltava tutkimus tarvitsisi kipeästi lisää rahoitusta, koska pienillä projekteilla on mahdotonta menestyä valtavirrassa (YLE 2018).
Tuotesuunnittelijat ja teknologiakehittäjät ovat avainasemassa materiaalivirtojen hallinnan kehittämisessä kohti kiertotaloutta. Tuotteet tulee suunnitella ja valmistaa kestäviksi, korjattaviksi ja kierrätettäviksi materiaalivalinnasta riippumatta. Neljättä teollista vallankumousta ja avointa dataa voisi laajemminkin hyödyntää kiertotalouden hyväksi panostamalla ensisijaisesti kestäviksi arvioituihin teknologioihin. Tähän kaikkeen tarvitaan osaavia kiertotaloustietoisia insinöörejä.
Ammattikorkeakoulu Arcada kiittää TKI-rahoittajia:
Tekes (shok-ohjelma, CLEEN/CLIC), Materiaalien arvovirrat / ARVI; Tekes/EAKR (Innovatiiviset kaupungit-ohjelma), Kierrätysmuovien 3D-tulostuksen sovelluslaboratorio; Svenska Folkskolans Vänner rf. (SFV), TEKNETIUM
Kirjoittajat
Mirja Andersson, FT, yliopettaja, Ammattikorkeakoulu Arcada/Energia- ja materiaalitekniikan osasto, mirja.andersson(at)arcada.fi
Stewart Makkonen-Craig, FM, vanhempi lehtori, Ammattikorkeakoulu /Arcada Energia- ja materiaalitekniikan osasto, stewart(at)arcada.fi
Maiju Holm, Ins. (AMK), tutkimusinsinööri, Ammattikorkeakoulu Arcada/ Energia- ja materiaalitekniikan osasto, maiju.holm(at)arcada.fi
Kristo Lehtonen, DI, KTM, toimitusjohtaja, 3DBear Oy, kristo(at)3dbear.fi
[vc_tta_accordion active_section=”0″ no_fill=”true” el_class=”lahteet”][vc_tta_section title=”Lähteet” tab_id=”1458134585005-b3f22396-5506″]
Andersson, M. & Makkonen-Craig, S., (2017). Sustainable values in future engineering education. In publication: A Culture of Sustainability and Innovation in Professional Higher Education. Arcada Publikation 2017, 1, s. 108-118. Arcada University of Applied Sciences. Haettu 20.1.2018 osoitteesta http://dspace.arcada.fi:8080/xmlui/bitstream/handle/123456789/54/AP_1-2017_ISBN_978-952-5260-84-7.pdf
Arcada, (2016). Tutkimus/koulutusuutinen. Arcada 11.5.2017. Haettu 21.1.2018 osoitteesta https://www.arcada.fi/en/news/teknetium-development-project-will-give-arcadas-engineers-sustainable-values
Arcada, (2017). Tutkimusuutinen. Arcada 26.9.2017. Haettu 21.1.2018 osoitteesta https://www.arcada.fi/fi/ajankohtaista/kierratysmuovi-uusiokayttoon-3d-tulostuksessa
ARVI, (2017a). ARVI Final Report (2017). Clic Innovation Oy. Haettu 22.1.2018 osoitteesta http://arvifinalreport.fi
ARVI, (2017b). ARVI Final Report (2017)/Plastic Recycling. Clic Innovation Oy. Haettu 22.1.2018 osoitteesta http://arvifinalreport.fi/content/plastic-recycling
Auta, H.S., Emenike, C.U. and Fauziah, S.H. (2017). Distribution and importance of microplastics in the marine environment: A review of the sources, fate, effects, and potential solutions. Environment International 102, pp. 165-176.
Boucher, J. and Friot D. (2017). Primary Microplastics in the Oceans: A Global Evaluation of Sources. Gland, Switzerland: IUCN. 43pp.
Dahlbo, H., Poliakova, V., Mylläri, V., Sahimaa, O., & Anderson, R., (2018). Recycling potential of post-consumer plastic packaging waste in Finland, Waste Management, 71, pp. 52-61
3DBear (2017a). Press Release. 3DBear Oy. Haettu 22.1.2018 osoitteesta http://3dbear.io/blog/2017/11/28/press-release-28th-november-3dbear-and-arcada-university-built-a-revolutionary-innovation-that-recycles-plastic-into-3d-printable-filament
3DBear (2017). Recycler by 3DBear. 3DBear Oy. Haettu 22.1.2018 osoitteesta http://3dbear.io/recycler
3DPlast, (2017). Kierrätys 3D. Projektin kotisivu ja sähköinen loppujulkaisu. Turun Ammattikorkeakoulu. Haettu 20.1.2018 osoitteesta https://resurssitehokkuus.turkuamk.fi/uutta-liiketoimintaa/kierratys-3d
Ellen MacArthur Foundation, (2015). Growth within: a circular economy vision for a competitive Europe. Report. Haettu 20.1.2018 osoitteesta https://www.ellenmacarthurfoundation.org/publications/growth-within-a-circular-economy-vision-for-a-competitive-europe
Ellen MacArthur Foundation, (2016). The New Plastics Economy: Rethinking the future of plastics. Report. Haettu 21.1.2018 osoitteesta https://www.ellenmacarthurfoundation.org/publications/the-new-plastics-economy-rethinking-the-future-of-plastics
Enkvist, J. and Andersson, M. (2013). Immaterialrättsliga utmaningar i samband med 3D-printning. In publication: BITA’13 – Proceedings of Seminar on Current Topics in Business, Information Technology and Analytics. Arcada Publikation, 2, pp. 26-29. Arcada University of Applied Sciences. Haettu 20.1.2018 osoitteesta https://www.arcada.fi/sites/default/files/documents/bita_13.pdf
Eskelinen, H., Haavisto, T., Salmenperä, H., Dahlbo, H., (2016). Muovien kierrätyksen tilanne ja haasteet, Raportti NRO D4.1-3 Helsinki, ARVI Tutkimusohjelma, Clic Innovation Oy. Haettu 22.1.2018 osoitteesta http://arvifinalreport.fi/files/D4.1-3_Eskelinen_ym_Muovien_kierratyksen_tilanne_ja_haasteet_11042016.pdf
Fortum, (2017). Circular economy village. Media Room. Haettu 21.1.2018 osoitteesta https://www3.fortum.com/media/2017/11/circular-economy-village-riihimaki-finland
Gebler, M., Schoot Uiterkamp A.J.M, & Visser, C., (2014). A global sustainability perspective on 3D printing technologies, Energy Policy, 74, pp.158–167
HS, (2017). Vanha Barbie kierrättimeen ja muovista uusia leluja – suomalaisyritys etsii ratkaisua muovijätteeseen, katso miten kierrätin toimii. Talousuutinen 24.11.2017. Helsingin Sanomat. Haettu 21.1.2018 osoitteesta https://www.hs.fi/talous/art-2000005462411.html
Häsänen, E. (2016). Composition analysis and compatibilization of post-consumer recycled multilayer plastic films, Master of Science Thesis, Tampere University of Technology, Haettu 22.1.2018 osoitteesta http://arvifinalreport.fi/files/hasanen_multilayer_plastics_DI_2016.pdf
Kohtala, C. (2015). Addressing sustainability in research on distributed production: an integrated literature review, Journal of Cleaner Production, 106, pp. 654-668
Maynard, A.D., (2015). Navigating the fourth industrial revolution. Nature Nanotechnology, 10, pp. 1005-1006.
Myllymaa, T. (toim.), Moliis, K., Häkkinen, E., Seppälä, T. (2015). Pysyvien orgaanisten yhdisteiden (POP) esiintyvyys, tunnistaminen ja erottaminen muovijätteistä. Ympäristöministeriön raportteja 25/2015. Haettu 23.1.2018 osoitteesta http://hdl.handle.net/10138/157416
Mylläri, V., Hartikainen, S., Poliakova, V., Anderson, R., Jönkkäri, I., Pasanen, P., Andersson, M., Vuorinen, J. (2016). Detergent impurity effect on recycled HDPE – properties after repetitive processing, Journal of Applied Polymer Science 133, 31, 43766
PlasticsEurope, (2016). Plastics-the Facts 2016. An analysis of European latest plastics production, demand and waste data. PlasticsEurope – Association of Plastics Manufacturers. Haettu 20.1.2018 osoitteesta https://issuu.com/plasticseuropeebook/docs/plastics_the_facts_2016_final_versi
Schwab, K., (2015). Will the fourth industrial revolution have a human heart? World Economic Forum.
Seppälä, J. Sahimaa, O., Honkatukia, J., Valve, H., Antikainen, R., Kautto, P., Myllymaa, T., Mäenpää, I., Salmenperä, H., Alhola, K., Kauppila, J., & Salminen, J. (2016). Kiertotalous Suomessa – toimintaympäristö, politiikkatoimet ja mallinnetut vaikutukset vuoteen 2030. Valtioneuvoston selvitys- ja tutkimustoiminnan julkaisusarja 25/2016, Valtioneuvoston kanslia, 23.5.2016
Setälä, O., Fjäder, P., Hakala, O., Kautto, P., Lehtiniemi, M., Raitanen, E., Sillanpää, M., Talvitie, J., & Äystö, L. (2017). Mikromuovit riski ympäristölle, Näkökulma ympäristöpolitiikkaan, SYKE Policy Brief 21.3.2017.
SYKE, (2017). Kierrätysmuovin käyttö 3D-tulostuksessa tukee kestävää tuotantoa. Tiedote 27.11.2017. Suomen Ympäristökeskus. Haettu 23.1.2018 osoitteesta http://www.syke.fi/fi-FI/Ajankohtaista/Tiedotteet/Kierratysmuovien_kaytto_3Dtulostuksessa_(45142)
World Economic Forum, (2016). The Future of Jobs. Employment, Skills and Workforce Strategy for the Fourth Industrial Revolution. Global Challenge Insight Report.
YLE, (2018). Näin suomalaisyritykset pelastavat maailman meriä muovilta: kelmujen gore-tex ja 5 muuta innovaatiota. Uutinen 23.1.2018. Suomen Yleisradio. Haettu 25.1.2018 osoitteesta https://yle.fi/uutiset/3-10036369
[/vc_tta_section][/vc_tta_accordion]
