Стратегический выбор материалов для устойчивого производства

Иззи де ла Гвардия, старший инженер по проектированию и разработке, и Кэтлин Бьолито, инженер по работе с клиентами

Путь к производству устойчивых деталей не заканчивается устойчивым проектированием или практиками цепочки поставок. Поскольку некоторые материалы более экологичны, чем другие, осознанный выбор материалов может значительно приблизить производство к устойчивости. Помимо снижения экологического воздействия компании, использование устойчивых материалов помогает построить репутацию «зелёного» бизнеса. К тому же потребители охотнее поддерживают экологически ответственные компании.

Хотя многие металлы можно перерабатывать многократно без потери качества, с пластиками ситуация иная. 91% пластика не перерабатывается, и большая его часть оказывается на свалках. Есть огромный простор для улучшений, поэтому в первой части нашей серии об устойчивом производстве мы сосредоточимся на материальных аспектах устойчивого производства с пластиками. Существуют возможности выбора материалов с меньшими экологическими затратами на добычу, использование и утилизацию.

Устойчивое получение материалов

Если вы пытаетесь сделать деталь более устойчивой, анализ источников материалов — отличная отправная точка. Сначала нужно выбрать между материалом из возобновляемого или невосстановимого ресурса.

Возобновляемые и невосстановимые ресурсы

Возобновляемые ресурсы — это природные ресурсы, которые могут восполняться для замены израсходованных объёмов. Иногда это происходит естественным образом, но иногда требуются человеческие усилия. Например, деревья — естественный возобновляемый ресурс. Однако, если мы вырубаем леса быстрее, чем они растут, нам нужно сажать новые сеянцы.

Невосстановимые ресурсы конечны — как только они исчерпаны, их больше нет. Запасы многих невосстановимых ресурсов истощаются, и многие из них скоро исчерпаются. Например, по большинству прогнозов, при текущих темпах добычи мировые запасы нефти исчерпаются через 40–50 лет.

Для снижения истощения природных ресурсов следует максимально использовать возобновляемые ресурсы. В мире пластиков это означает предпочтение биопластиков нефтепластикам. Нефтепластики производятся из нефти, а биопластики — частично или полностью из возобновляемой биомассы или природных побочных продуктов, и они более экологичны. Распространённые сырьевые материалы для биопластиков: солома, опилки, кукурузный крахмал, древесные щепки, растительные масла и жиры.

Хотя можно подумать, что биопластики биоразлагаемы, это не всегда так. Например, «drop-in биопластики» вроде bio-PET химически идентичны своим нефтяным аналогам, просто получаются из биомассы, поэтому они не биоразлагаемы, а только перерабатываемы. Независимо от выбора пластика на возобновляемой или невосстановимой основе, можно дополнительно снизить потребность в первичном сырье и сделать производство более устойчивым, используя пластики с более высоким содержанием переработанного материала.

Переработанные материалы

Производство из переработанного материала продлевает срок службы исходного сырья, поэтому не нужно закупать столько первичного материала. Это помогает снизить затраты на материалы и значительно улучшает общую устойчивость продукта. Производство одной тонны продукции из переработанного пластика вместо первичного предотвращает выброс 1,6 тонны CO₂ и экономит 5 баррелей нефти.

Хотя металлы не деградируют при переработке, многие пластики трудно перерабатываются или могут быть переработаны всего несколько раз перед значительным ухудшением физических свойств. Часто используют смесь переработанного и первичного пластика для сохранения приемлемых свойств. Наиболее распространённые пластики с переработанным содержанием в производстве: полиэтилентерефталат (PET) и полиэтилен высокой плотности (HDPE).

Понимание конца жизненного цикла продукта

Помимо источника материала, нужно подумать, что будет с продуктом в конце его жизни. Материалы могут быть биоразлагаемыми, компостируемыми, перерабатываемыми или их комбинацией (или ни тем ни другим), в зависимости от химического состава, поэтому важно понимать различия при оценке материалов.

Биоразлагаемые и компостируемые пластики

Хотя эти термины часто используют как синонимы, компостируемость и биоразлагаемость — не одно и то же. Любой компостируемый пластик биоразлагаем, но не любой биоразлагаемый пластик компостируем. Компостируемые пластики, такие как термопластик на основе крахмала (TPS), полибутиленсукцинат (PBS) или поликапролактон (PCL), распадаются на органические элементы и питательные вещества, обогащающие почву. Биоразлагаемые пластики разлагаются естественным образом без вреда для среды, но не обязательно превращаются в органические элементы.

Биоразлагаемые пластики делятся на две группы: оксо-биоразлагаемые (разлагаются окислением) и гидро-биоразлагаемые (разлагаются гидролизом). Гидро-биоразлагаемые пластики обычно разлагаются быстрее, но требуют промышленного компостирования. По сравнению с ними, оксо-биоразлагаемые пластики дешевле, легче в обработке и имеют лучшие механические свойства.

Не все компостируемые продукты одинаковы. Домашние компостируемые продукты разлагаются в обычных условиях и температуре домашних компостных куч. Промышленно компостируемые пластики обычно требуют устойчивых высоких температур, наличия углерода и азота или большего доступа к воздуху для разложения за разумное время.

Например, полилактид (PLA) требует промышленного компостирования, так как деградирует только при температурах выше 58 °C (136 °F). Полигидроксиалканоаты (PHA) могут разлагаться в домашних условиях. Поэтому, хотя PHA дороже и требует больше энергии для производства, вероятность его компостирования выше, так как не зависит от правильной утилизации конечным пользователем. Если вы выбираете промышленно компостируемый пластик, важно продвигать правильную утилизацию: понятное маркированием или программы обратного приёма.

Перерабатываемые материалы

Если биоразлагаемый вариант недоступен, следующим лучшим выбором — перерабатываемые пластики. Как правило, термопласты гораздо легче перерабатывать, чем термореактивные пластики, так как их можно многократно плавить и переформовывать.

Наиболее часто перерабатываемые пластики имеют присвоенные номера переработки, сообщающие потребителям тип пластика и его перерабатываемость. Пластики с меньшими номерами легче перерабатываются. Распространённые перерабатываемые пластики:

1. PET или PETE — полиэтилентерефталат (PET): лёгкий, легко перерабатываемый пластик, применяемый в упаковке, бутылках для воды, одежде, наполнителях и веревках.
2. HDPE — полиэтилен высокой плотности: химически стойкий, легко перерабатываемый пластик.
3. PVC или V — поливинилхлорид (PVC): жёсткий термопласт, умеренно перерабатываемый.
4. LDPE — полиэтилен низкой плотности: умеренно перерабатываемый.
5. PP — полипропилен (PP): прочный, химически стойкий, перерабатываемый.
6. PS — полистирол (PS): умеренно перерабатываемый.
7. Разное — пластики №7: неперерабатываемые.

Маркируя продукты соответствующим номером переработки, вы помогаете конечным пользователям понять, какие пластики перерабатываются и как утилизировать продукт. Номер переработки нужно нанести на сам продукт (фрезеровкой, лазерной гравировкой) или сообщить другому способом (на бирке, в инструкции). Большинство программ раздельного сбора у бордюра принимают пластики с низкими номерами, но некоторые города могут не принимать высокие номера — такие пластики требуют специальных программ переработки.

Помимо маркировки, можно организовать программы обратного приёма для продления жизни материалов: почтовую переработку, трейд-ин или бесплатные пункты приёма.

Устойчивость в аддитивном производстве

Если вы хотите внедрить более устойчивые материалы для 3D-печати, есть несколько вариантов. При использовании технологии FDM (моделирование методом слоёного наплавления) можно использовать нить из переработанного или биобазированного пластика (например, нити Francofil на основе устриц и пшеницы) или пеллетные экструдеры, плавящие измельчённые пластиковые чипсы.

Кроме того, производственные системы вроде HP Multi Jet Fusion стремятся минимизировать свой след, позволяя повторно использовать большую часть излишкового порошка из сборок при смешивании с процентом девственного порошка. Они также перерабатывают непригодный порошок и бракованные детали в заготовки для литьё под давлением, как в случае с этими серийными деталями Ford.

В аддитивном производстве ещё долгий путь к устойчивости, но многие компании делают шаги к инновациям. Постоянно разрабатываются новые устойчивые материалы: нити на основе водорослей и морских трав, соевая FilaSoy. Forust использует опилки и биолигнин для 3D-печати дерева. Стоит изучить коммерчески доступные варианты для своих задач и спросить у поставщиков материалов о их достижениях в устойчивости.

Устойчивость в литьё под давлением и литьё уретаном

В литьё под давлением и литьё уретаном популярными вариантами снижения отходов являются использование материала с переработанным содержанием или регенирование (возврат обрезков процесса литья обратно в производство). Также стоит изучить, есть ли биобазированная альтернатива вашему пластику, например bio-PET или PE из сахарного тростника, или bio-PC из кукурузы. Можно также использовать устойчивые наполнители: коноплю, кокосовую шелуху, рисовую обручковую шелуху, водоросли, но нужно следить, чтобы они не ухудшали перерабатываемость детали.

Ключевые проблемы использования «зелёных» материалов

Зелёные материалы лучше для среды, но их применение может быть сложным. Возьмём переработанные пластики: они часто имеют более слабую молекулярную структуру, чем первичные, и более склонны к поломкам. Они могут быть менее стойкими к химикатам, ударам и экстремальным температурам, поэтому потребителям придётся заменять продукт раньше. Во многих случаях устойчивые альтернативы (биоверсии обычных пластиков) дороже нефтяных аналогов. Плюс, коммерчески доступных устойчивых вариантов меньше, поэтому важно продолжать давить на инновации и требовать от поставщиков разработку менее вредных материалов.

Выбор устойчивых материалов с Fast Radius

При выборе материала для следующего проекта есть много нюансов, особенно касательно устойчивости. Сейчас существует множество устойчивых материалов, но сложно определить, нужно ли вам что-то биоразлагаемое, компостируемое, перерабатываемое или совсем иное. Опытный производитель может помочь.

Когда вы партнёритесь с Fast Radius, наша команда экспертов проводит вас через выбор материалов, помогая принять лучшее решение для проекта. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы начать, и следите за новыми лучшими практиками устойчивости от команды Fast Radius.