Materiaaloverwegingen voor duurzame productie

Izzy de la Guardia, Senior Design and Development Engineer, en Kathleen Bollito, Customer Application Engineer

De reis naar het produceren van duurzame onderdelen stopt niet bij duurzaam ontwerp of supply chain-praktijken. Aangezien sommige materialen milieuvriendelijker zijn dan andere, kan het maken van doordachte materiaalkeuzes een grote bijdrage leveren aan het duurzamer maken van de productie. Naast het verminderen van de milieu-impact van uw bedrijf, kan het gebruik van duurzame materialen u helpen uw reputatie als groen bedrijf op te bouwen. Bovendien zijn consumenten meer bereid om milieuvriendelijke bedrijven te steunen.

Hoewel veel metalen herhaaldelijk kunnen worden gerecycled zonder kwaliteitsverlies, kan hetzelfde niet worden gezegd voor kunststoffen. 91% van het plastic wordt niet gerecycled en veel ervan komt op onze stortplaatsen terecht. Er is veel ruimte voor verbetering, dus in dit eerste deel van onze serie duurzame productie gaan we ons concentreren op materiaaloverwegingen voor duurzame productie met kunststoffen. Er zijn mogelijkheden om materialen te selecteren met lagere milieukosten in verband met inkoop, gebruik en verwijdering.

Duurzame inkoop van materialen

Als je een onderdeel duurzamer wilt maken, is het een goed begin om te kijken waar je je materiaal vandaan haalt. Eerst moet je kiezen tussen het gebruik van een materiaal dat afkomstig is uit een hernieuwbare of een niet-hernieuwbare bron.

Hernieuwbare bronnen versus niet-hernieuwbare bronnen

Hernieuwbare hulpbronnen zijn natuurlijke hulpbronnen die kunnen worden aangevuld om de uitgeputte hoeveelheid te vervangen. Soms wordt deze aanvulling bereikt door natuurlijke productie, maar soms moeten we misschien wat moeite doen. Bomen zijn bijvoorbeeld een natuurlijke, hernieuwbare hulpbron. Als we echter bomen omhakken in een gebied dat sneller kan dan ze kunnen teruggroeien, moeten we nieuwe zaden en jonge boompjes planten.

Niet-hernieuwbare hulpbronnen zijn eindig - als ze eenmaal op zijn, zijn ze op. Onze voorraad van veel niet-hernieuwbare hulpbronnen neemt af en velen zullen binnenkort opraken. De meeste schattingen voorspellen bijvoorbeeld dat we de olievoorraad in de wereld binnen 40 of 50 jaar zullen uitputten als we ons huidige tempo van oliewinning voortzetten.

Gebruik zoveel mogelijk hernieuwbare bronnen om de uitputting van natuurlijke hulpbronnen te verminderen. In de wereld van kunststoffen betekent dit het gebruik van bioplastics in plaats van petroplastics. Petroplastics worden geproduceerd uit niet-hernieuwbare ruwe olie, terwijl bioplastics gedeeltelijk of volledig zijn afgeleid van hernieuwbare biomassamaterialen of natuurlijke bijproducten en milieuvriendelijker zijn dan hun tegenhangers op basis van fossiele brandstoffen. Veelvoorkomende materialen in bioplastics zijn stro, zaagsel, maïszetmeel, houtsnippers en plantaardige oliën en vetten.

Hoewel je zou denken dat biobased plastics biologisch afbreekbaar zijn, is dat niet altijd het geval. Bijvoorbeeld, "drop-in bioplastics" zoals bio-PET zijn chemisch identiek aan de fossiele brandstofversies, alleen afgeleid van biomassa, dus ze zijn niet biologisch afbreekbaar, alleen recyclebaar. Of u nu kiest voor hernieuwbaar of niet-hernieuwbaar plastic op basis van hulpbronnen, u kunt de behoefte aan nieuw materiaal verder verminderen en de productie duurzamer maken door kunststoffen te gebruiken met een hoger gehalte aan gerecycled materiaal.

Gerecycleerde materialen

Productie met gerecycled materiaal verlengt de levensduur van dat originele materiaal, zodat u niet zoveel nieuw materiaal hoeft in te kopen. Dit kan u helpen uw materiaalkosten te verlagen en een grote bijdrage te leveren aan het verbeteren van de algehele duurzaamheid van uw product. Door één ton producten te produceren met gerecyclede kunststoffen in plaats van nieuw plastic, wordt immers voorkomen dat 1,6 ton koolstofdioxide-emissies in de atmosfeer terechtkomen en worden vijf vaten olie bespaard.

Hoewel metalen niet degraderen wanneer ze worden gerecycled, zijn veel kunststoffen niet gemakkelijk te recyclen of kunnen ze slechts een paar keer worden gerecycled voordat hun fysieke eigenschappen aanzienlijk worden aangetast. In veel gevallen gebruiken mensen een mix van gerecycled en nieuw plastic om aanvaardbare materiaaleigenschappen te behouden. De meest voorkomende kunststoffen die gerecycled materiaal bevatten dat bij de productie wordt gebruikt, zijn polyethyleentereftalaat (PET) en polyethyleen met hoge dichtheid (HDPE).

Het einde van de levensduur van een product begrijpen

Naast het overwegen van uw materiële bron, wilt u nadenken over wat er zal gebeuren aan het einde van de levensduur van uw product. Materialen kunnen biologisch afbreekbaar, composteerbaar, recyclebaar of een combinatie van de drie zijn (of geen!), afhankelijk van hun chemische samenstelling, dus het is belangrijk om de verschillen te begrijpen bij het evalueren van materialen.

Biologisch afbreekbaar versus composteerbaar plastic

Hoewel ze vaak door elkaar worden gebruikt, zijn composteerbaarheid en biologische afbreekbaarheid niet hetzelfde. Elk composteerbaar plastic is biologisch afbreekbaar, maar niet elk biologisch afbreekbaar plastic is composteerbaar. Composteerbare kunststoffen, zoals thermoplastisch plastic op zetmeelbasis (TPS), polybutyleensuccinaat (PBS) of polycaprolacton (PCL), kunnen uiteenvallen in organische elementen en voedingsstoffen die de bodem verrijken. Biologisch afbreekbare kunststoffen zullen op natuurlijke wijze vergaan zonder het milieu te schaden, maar ze zullen niet per se uiteenvallen in organische elementen.

Biologisch afbreekbare kunststoffen vallen in twee groepen:oxo-biologisch afbreekbaar (kunststoffen die afbreken via oxidatie) en hydro-biologisch afbreekbaar (kunststoffen die afbreken via hydrolyse). Hydro-biologisch afbreekbare kunststoffen hebben de neiging sneller af te breken dan oxo-biologisch afbreekbare kunststoffen, maar moeten meestal industrieel worden gecomposteerd. Vergeleken met hydro-biologisch afbreekbare kunststoffen zijn oxo-biologisch afbreekbare kunststoffen minder duur, gemakkelijker te verwerken en hebben ze betere mechanische eigenschappen.

Ook zijn niet alle composteerbare producten gelijk. Thuiscomposteerbare producten worden biologisch afgebroken onder omstandigheden en temperaturen in typische huizen of composthopen in de achtertuin. Industriële composteerbare kunststoffen vereisen echter meestal aanhoudende temperaturen, de aanwezigheid van koolstof- en stikstofrijke materialen of meer lucht om binnen een redelijke tijd af te breken.

Polymelkzuur (PLA) vereist bijvoorbeeld industriële compostering omdat het pas bij temperaturen boven de 136 graden afbreekt. Polyhydroxyalkanoaat (PHA) kan echter thuis afbreken. Dus hoewel PHA duurder is en meer energie nodig heeft om te produceren, is de kans groter dat het composteert, omdat het niet afhankelijk is van de verwijdering door de eindgebruiker om bij de juiste composteringsfaciliteit terecht te komen. Als u een commercieel composteerbaar plastic kiest, is het belangrijk om te overwegen hoe u een correcte verwijdering kunt bevorderen. Overweeg duidelijke etikettering of terugnameprogramma's.

Gerecycleerde materialen

Als u geen biologisch afbreekbare optie kunt kopen, is recyclebaar plastic het beste alternatief. Over het algemeen zijn thermoplasten veel gemakkelijker te recyclen dan thermoharders, omdat ze continu kunnen worden gesmolten en hervormd.

De meest gerecyclede kunststoffen hebben een toegewezen recyclingnummer dat de consument vertelt over het type en de recycleerbaarheid van het plastic. Kunststoffen met lagere aantallen zijn gemakkelijker te recyclen dan die met hogere aantallen. Veelgebruikte gerecyclede kunststoffen zijn onder meer:

1. HUISDIEREN of PETE — Polyethyleentereftalaat (PET) is een lichtgewicht plastic dat gemakkelijk te recyclen is en vaak wordt gebruikt in verpakkingen, waterflessen, kleding, fiberfill en touw.
2. HDPE — Polyethyleen met hoge dichtheid (HDPE) is een chemisch bestendig, gemakkelijk recyclebaar plastic.
3. PVC of V — Polyvinylchloride (PVC) is een stijve thermoplast die matig recyclebaar is.
4. LDPE — Polyethyleen met lage dichtheid (LDPE) is matig recyclebaar.
5. PP — Polypropyleen (PP) is taai, chemisch bestendig en recyclebaar.
6. PS — Polystyreen (PS) is matig recyclebaar.
7. Diversen — #7 kunststoffen zijn niet recyclebaar.

Door uw producten te labelen met het juiste recyclingnummer, kunt u eindgebruikers helpen begrijpen welke kunststoffen recyclebaar zijn en hoe zij hun product moeten weggooien. U moet het recyclingnummer van het product op het product zelf vermelden (bijv. CNC-bewerking of lasergravure van de tekst op het product) of de informatie op een andere manier aan uw consument doorgeven (bijv. op het label of in een handleiding) . De meeste recyclingprogramma's op straat accepteren de lagere aantallen, maar sommige steden nemen de hogere aantallen mogelijk niet aan, dus deze kunststoffen zouden via speciale programma's moeten worden gerecycled.

Naast het duidelijk labelen van uw producten, kunt u terugnameprogramma's opzetten om uw materiële levensduur te verlengen. Overweeg het aanbieden van een recyclingprogramma voor mail-back, een inruilprogramma of het organiseren van gratis inzamelpunten.

Duurzaamheid in additive manufacturing

Als u duurzamere 3D-printmaterialen wilt gebruiken, zijn er een paar opties die u kunt overwegen. Terwijl je fused deposition modeling (FDM) technologie gebruikt, kun je filament verkennen dat is gemaakt van gerecycled of biobased plastic (zoals op oester en tarwe gebaseerde Francofil-filamenten) of op pellets gebaseerde extruders die vermalen plastic chips direct kunnen smelten.

Bovendien werken productiesystemen zoals HP Multi Jet Fusion eraan om hun voetafdruk te minimaliseren door het mogelijk te maken dat het meeste overtollige poeder uit hun builds opnieuw wordt gebruikt in toekomstige projecten wanneer het wordt gemengd met een percentage nieuw poeder. Ze recyclen ook niet-teruggewonnen poeder- en schrootonderdelen om spuitgietmateriaal te maken, zoals bij deze Ford-productieonderdelen.

We hebben nog een lange weg te gaan als het gaat om duurzaamheid in additive manufacturing, maar veel bedrijven nemen stappen om te innoveren en de duurzaamheid te verbeteren. Ook zijn er voortdurend nieuwe duurzame materialen in ontwikkeling, zoals filament op basis van algen en zeewier en FilaSoy op basis van soja. Forrust gebruikt afvalzaagsel en biobased lignine om hout te 3D-printen. Het is de moeite waard om te onderzoeken welke commercieel beschikbare opties voor uw toepassingen kunnen werken en om bij uw materiaalleveranciers te informeren naar de vooruitgang die zij boeken op het gebied van duurzaamheid.

Duurzaamheid bij spuitgieten en gegoten urethaan

Bij spuitgieten en urethaangieten zijn populaire afvalbesparende opties het gebruik van een materiaal met gerecyclede inhoud of herslijpen (het terugvoeren van het schroot van het spuitgietproces in zichzelf). Daarnaast is het de moeite waard om te onderzoeken of er een biobased alternatief is voor jouw plastic naar keuze, zoals bio-PET of PE gemaakt van suikerriet of bio-PC gemaakt van maïs. U kunt ook kiezen voor duurzame vulmaterialen, zoals hennep, kokosnootschalen, rijstschillen en algen, maar zorg ervoor dat deze de recycleerbaarheid van uw onderdeel niet negatief beïnvloeden.

De belangrijkste uitdagingen van het gebruik van groene materialen

Groene materialen zijn beter voor het milieu, maar het gebruik ervan kan een uitdaging zijn. Neem bijvoorbeeld gerecyclede kunststoffen. Ze hebben vaak zwakkere moleculaire structuren dan maagdelijke kunststoffen en zullen meer vatbaar zijn voor breuk. Ze zijn mogelijk ook minder bestand tegen chemicaliën, stoten en extreme temperaturen, dus consumenten zullen eerder een vervanging moeten kopen dan wanneer ze een product van nieuw plastic hadden gekocht. In veel gevallen zijn duurzame alternatieven zoals de biogebaseerde versie van gewone kunststoffen duurder dan hun alledaagse tegenhangers op petroleumbasis. Bovendien zijn er over het algemeen minder duurzame opties commercieel beschikbaar, dus het is belangrijk om innovatie op dit gebied te blijven stimuleren en druk uit te oefenen op materiaalleveranciers om minder schadelijke materialen te ontwikkelen en aan te bieden.

Kiezen voor duurzame materialen met Fast Radius

Er is veel om over na te denken bij het kiezen van een materiaal voor uw volgende project, vooral als het gaat om duurzaamheid. Tegenwoordig worden er veel duurzame materialen gebruikt bij de productie, maar het kan een uitdaging zijn om te bepalen of je iets biologisch afbreekbaar, composteerbaar, recyclebaar of helemaal anders nodig hebt. Een ervaren fabrikant kan helpen.

Wanneer u samenwerkt met Fast Radius, kan ons team van experts u begeleiden bij de materiaalkeuze, zodat u de beste beslissing voor uw project kunt nemen. Neem vandaag nog contact met ons op om aan de slag te gaan en houd je ogen open voor meer praktische tips op het gebied van duurzaamheid van ons Fast Radius-team.