Strategische materiaalkeuze voor duurzame productie

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

De weg naar duurzame onderdelen stopt niet bij duurzaam ontwerp of supply chain praktijken. Omdat sommige materialen milieuvriendelijker zijn dan anderen, kunnen doordachte materiaalkeuzes een lange weg gaan in het maken van productie duurzamer. Naast het reduceren van de ecologische voetafdruk van uw bedrijf, kan het gebruik van duurzame materialen helpen uw reputatie als groen bedrijf te bouwen. Bovendien zijn consumenten bereider om milieubewuste bedrijven te steunen.

Hoewel veel metalen herhaaldelijk gerecycled kunnen worden zonder kwaliteitsverlies, geldt dit niet voor kunststoffen. 91% van het plastic wordt niet gerecycled en belandt op stortplaatsen. Er is veel verbeteringsruimte, daarom richten we ons in dit eerste deel van onze serie over duurzame productie op materiaaloverwegingen voor duurzame productie met kunststoffen. Er liggen kansen om materialen te selecteren met lagere ecologische kosten bij winning, gebruik en verwerking.

Duurzame winning van materialen

Als u een onderdeel duurzamer wilt maken, is het bekijken van de herkomst van uw materiaal een uitstekend beginpunt. Allereerst moet u kiezen tussen een materiaal afkomstig van een hernieuwbare of een niet-hernieuwbare bron.

Hernieuwbare bronnen vs. niet-hernieuwbare bronnen

Hernieuwbare bronnen zijn natuurlijke hulpbronnen die aangevuld kunnen worden om de uitgeputte hoeveelheid te vervangen. Soms geschiedt deze aanvulling via natuurlijke productie, maar soms is er moeite nodig. Bomen zijn bijvoorbeeld een natuurlijke, hernieuwbare bron. Wanneer we bomen sneller kappen dan ze teruggroeien, moeten we nieuwe zaden en zaailingen planten.

Niet-hernieuwbare bronnen zijn endlich — eenmaal op zijn ze op. Onze voorraad aan veel niet-hernieuwbare bronnen krimpt, en veel zullen binnenkort op zijn. De meeste schattingen voorspellen dat we de wereldwijde olievoorraad in 40 tot 50 jaar zullen uitgeput hebben als we doorgaan met de huidige winningssnelheid.

Om de uitputting van natuurlijke hulpbronnen te verminderen, gebruik zo veel mogelijk hernieuwbare bronnen. In de kunststofwereld betekent dit bioplastieken gebruiken in plaats van petroplastieken. Petroplastieken worden geproduceerd uit niet-hernieuwbare ruwe olie, terwijl bioplastieken deels of volledig afstammen van hernieuwbare biomassa of natuurlijke bijproducten en milieuvriendelijker zijn dan hun fossiele tegenhangers. Veelvoorkomende materialen in bioplastieken zijn stro, zaagsel, maïszetmeel, houtsnippers en plantaardige oliën en vetten.

Hoewel u misschien denkt dat biobased kunststoffen biologisch afbreekbaar zijn, is dat niet altijd het geval. "Drop-in bioplastieken" zoals bio-PET zijn chemisch identiek aan de fossiele versies, maar afkomstig van biomassa, dus niet biologisch afbreekbaar, wel recycleerbaar. Of u nu kiest voor kunststof gebaseerd op hernieuwbare of niet-hernieuwbare bronnen, u kunt de behoefte aan virgin materiaal verder reduceren en productie duurzamer maken door kunststoffen met hogere gerecycleerde inhoud te gebruiken.

Gerecycleerde materialen

Productie met gerecycleerd materiaal verlengt de levensduur van het oorspronkelijke materiaal, zodat u minder virgin materiaal hoeft te winnen. Dit kan helpen materiaalkosten te verlagen en een lange weg gaan in het verbeteren van de algehele duurzaamheid van uw product. Immers, het produceren van één ton producten met gerecycleerde kunststoffen in plaats van virgin plastic voorkomt dat 1,6 ton CO2-emissies de atmosfeer binnengaan en bespaart vijf vaten olie.

Terwijl metalen niet afbreken bij recycling, zijn veel kunststoffen niet gemakkelijk te recyclen of kunnen maar een paar keer gerecycled worden voordat hun fysieke eigenschappen aanzienlijk beïnvloed worden. In veel gevallen gebruikt men een mengsel van gerecycleerd en virgin plastic om acceptabele materiaaleigenschappen te behouden. De meest voorkomende kunststoffen met gerecycleerde inhoud in de productie zijn polyethyleentereftalaat (PET) en hoogdichtheid polyethyleen (HDPE).

Het begrijpen van een productseinde

Naast de materiaalherkomst wilt u nadenken over wat er gebeurt aan het einde van de productlevenscyclus. Materialen kunnen biologisch afbreekbaar, composteerbaar, recycleerbaar of een combinatie daarvan zijn (of geen van alle), afhankelijk van hun chemische samenstelling, dus het is belangrijk de verschillen te begrijpen bij het evalueren van materialen.

Biologisch afbreekbaar vs. composteerbaar plastic

Hoewel ze vaak door elkaar gebruikt worden, zijn composteerbaarheid en biologische afbreekbaarheid niet hetzelfde. Elk composteerbaar plastic is biologisch afbreekbaar, maar niet elk biologisch afbreekbaar plastic is composteerbaar. Compostaerbare kunststoffen, zoals thermoplastisch zetmeelgebaseerd plastic (TPS), polybutyleensuccinaat (PBS) of polycaprolacton (PCL), kunnen afbreken tot organische elementen en voedingsstoffen die de grond verrijken. Biologisch afbreekbare kunststoffen vallen van nature af zonder het milieu te schaden, maar breken niet noodzakelijk af tot organische elementen.

Biologisch afbreekbare kunststoffen vallen in twee groepen — oxo-biologisch afbreekbaar (kunststoffen die via oxidatie afbreken) en hydro-biologisch afbreekbaar (kunststoffen die via hydrolyse afbreken). Hydro-biologisch afbreekbare kunststoffen breken sneller af dan oxo-biologisch afbreekbare, maar moeten meestal industriëel gecomposteerd worden. In vergelijking met hydro-biologisch afbreekbare kunststoffen zijn oxo-biologisch afbreekbare goedkoper, gemakkelijker te verwerken en hebben betere mechanische eigenschappen.

Niet alle composteerbare producten zijn gelijk. Thuiscomposteerbare producten zullen afbreken in omstandigheden en temperaturen in typische huizen of composthopen in de tuin. Industriëel composteerbare kunststoffen vereisen meestal continue temperaturen, de aanwezigheid van koolstof- en stikstofrijke materialen, of meer lucht om in een redelijke tijd af te breken.

Polylactide (PLA) vereist bijvoorbeeld industriële compostering omdat het alleen afbreekt bij temperaturen boven 136 graden. Polyhydroxyalkanoaat (PHA) kan echter thuis afbreken. Hoewel PHA duurder is en meer energie vereist voor productie, is de kans groter dat het composeert, omdat het niet afhangt van de afvalverwerking door de eindgebruiker. Als u een commercieel composteerbaar plastic selecteert, is het belangrijk te overwegen hoe u correcte afvalverwerking kunt bevorderen. Overweeg duidelijke labeling of innameprogramma's.

Recycleerbare materialen

Als u geen biologisch afbreekbare optie kunt winnen, is het volgende beste recycleerbare kunststoffen. Over het algemeen zijn thermoplastieken veel gemakkelijker te recyclen dan thermoharders, omdat ze continu gesmolten en herbegloeid kunnen worden.

De meest gerecyclede kunststoffen hebben een toegewezen recyclenummer dat consumenten vertelt wat het type plastic is en de recycleerbaarheid. Kunststoffen met lagere nummers zijn gemakkelijker te recyclen dan die met hogere nummers. Veelvoorkomende recycleerbare kunststoffen zijn:

1. PET of PETE — Polyethyleentereftalaat (PET) is een licht kunststof die gemakkelijk te recyclen is en vaak gebruikt wordt in verpakkingen, waterflessen, kleding, vulmateriaal en touw.
2. HDPE — Hoogdichtheid polyethyleen (HDPE) is een chemisch bestendig, gemakkelijk te recyclen plastic.
3. PVC of V — Polyvinylchloride (PVC) is een rigide thermoplast die matig recycleerbaar is.
4. LDPE — Laagdichtheid polyethyleen (LDPE) is matig recycleerbaar.
5. PP — Polypropyleen (PP) is zacht, chemisch bestendig en recycleerbaar.
6. PS — Polystireen (PS) is matig recycleerbaar.
7. Diverse — #7 kunststoffen zijn niet recycleerbaar.

Door uw producten te labelen met het juiste recyclenummer, helpt u eindgebruikers te begrijpen welke kunststoffen recycleerbaar zijn en hoe ze hun product moeten verwerken. U moet het recyclenummer op het product zelf opnemen (bijv. CNC-frezen of lasergraveren van de tekst op het product) of de informatie op een andere manier doorgeven aan de consument (bijv. op het label of in een handleiding). De meeste straatrecyclingprogramma's accepteren de lagere nummers, maar sommige steden nemen de hogere nummers misschien niet, dus deze kunststoffen moeten via speciale programma's gerecycled worden.

Naast duidelijke labeling kunt u innameprogramma's opzetten om de materiaallevensduur te verlengen. Overweeg een post-inname recyclingprogramma, een ruilprogramma of het organiseren van gratis inzamelpunten.

Duurzaamheid in additieve productie

Als u meer duurzame 3D-printmaterialen wilt integreren, zijn er een paar opties om te overwegen. Bij het gebruik van fused deposition modeling (FDM)-technologie kunt u filament verkennen van gerecyclede of biobased plastic (zoals oester- en tarwebased Francofil-filamenten) of pellet-gebaseerde extruders die direct gemalen plastic chips kunnen smelten.

Daarnaast werken productiesystemen zoals HP Multi Jet Fusion aan het minimaliseren van hun voetafdruk door de meeste overblijvende poeder uit hun builds te hergebruiken in toekomstige projecten wanneer gemengd met een percentage virgin poeder. Ze recyclen ook niet-herwonnen poeder en schrootonderdelen om spuitgietmateriaal te maken, zoals bij deze productie Ford-onderdelen.

We hebben nog een lange weg te gaan wat duurzaamheid in additieve productie betreft, maar veel bedrijven ondernemen stappen om te innoveren en duurzaamheid te verbeteren. Nieuwe duurzame materialen zijn ook constant in ontwikkeling, zoals alg- en zeewiergebaseerd filament en sojabased FilaSoy. Forust gebruikt zaagselafval en biobased lignine om hout te 3D-printen. Het is de moeite waard om te onderzoeken welke commercieel beschikbare opties voor uw toepassingen werken en uw materialenleveranciers te vragen welke vooruitgang ze boeken op duurzaamheidsgebied.

Duurzaamheid in spuitgieten en gegoten urethane

Bij spuitgieten en urethane gieten zijn populaire afvalbesparende opties het gebruik van een materiaal met gerecycleerde inhoud of regrinden (het terugvoeren van schroot uit het spuitgietproces in zichzelf). Daarnaast is het de moeite waard te onderzoeken of er een biobased alternatief is voor uw plastic van keuze, zoals bio-PET of PE uit suikerriet of bio-PC uit maïs. U kunt ook kiezen voor duurzame vulmaterialen, zoals hennep, kokosnotenschillen, rijsthulsen en algen, maar let erop dat ze de recycleerbaarheid van uw onderdeel niet negatief beïnvloeden.

De belangrijkste uitdagingen van groene materialen

Groene materialen zijn beter voor het milieu, maar het gebruik ervan kan uitdagend zijn. Neem gerecyclede kunststoffen. Ze hebben vaak zwakkere moleculaire structuren dan virgin kunststoffen en zijn vatbaarder voor breuk. Ze kunnen ook minder bestendig zijn tegen chemicalien, impact en extreme temperaturen, zodat consumenten eerder een vervanging hoeven te kopen dan bij een product van virgin plastic. In veel gevallen zijn duurzame alternatieven zoals de biobased versie van gangbare kunststoffen duurder dan hun petrochemische tegenhangers. Bovendien zijn er over het algemeen minder duurzame opties commercieel beschikbaar, dus het is belangrijk om innovatie in dit veld voort te zetten en druk uit te oefenen op materialenleveranciers om minder schadelijke materialen te ontwikkelen en aan te bieden.

Duurzame materialen kiezen met Fast Radius

Er is veel na te denken bij het kiezen van een materiaal voor uw volgende project, vooral wat duurzaamheid betreft. Tegenwoordig zijn er veel duurzame materialen in de productie, maar het kan lastig zijn om te bepalen of u iets biologisch afbreekbaars, composteerbaars, recycleerbaars of iets heel anders nodig hebt. Een ervaren producent kan helpen.

Wanneer u partnerschap aangaat met Fast Radius, kan ons team van experts u begeleiden bij de materiaalselectie, zodat u de beste beslissing voor uw project kunt nemen. Neem vandaag nog contact met ons op om te beginnen, en houd ons team in de gaten voor meer best practices op duurzaamheidsgebied.