Considérations relatives aux matériaux pour une fabrication durable

Izzy de la Guardia, ingénieur senior en conception et développement, et Kathleen Bollito, ingénieur d'application client

Le parcours vers la production de pièces durables ne s'arrête pas à la conception durable ou aux pratiques de la chaîne d'approvisionnement. Étant donné que certains matériaux sont plus écologiques que d'autres, faire des choix de matériaux réfléchis peut grandement contribuer à rendre la fabrication plus durable. En plus de réduire l'impact environnemental de votre entreprise, l'utilisation de matériaux durables peut vous aider à bâtir votre réputation d'entreprise verte. De plus, les consommateurs sont plus disposés à soutenir les entreprises respectueuses de l'environnement.

Alors que de nombreux métaux peuvent être recyclés à plusieurs reprises sans perte de qualité, on ne peut pas en dire autant des plastiques. 91% du plastique n'est pas recyclé et une grande partie finit dans nos décharges. Il y a beaucoup de place à l'amélioration, donc dans cette première partie de notre série sur la fabrication durable, nous allons nous concentrer sur les considérations matérielles pour une fabrication durable avec des plastiques. Il existe des opportunités de sélectionner des matériaux avec des coûts environnementaux inférieurs associés à l'approvisionnement, à l'utilisation et à l'élimination.

Approvisionnement durable en matériaux

Si vous essayez de rendre une pièce plus durable, regarder où vous vous procurez votre matériel est un excellent point de départ. Tout d'abord, vous devrez choisir entre utiliser un matériau provenant d'une ressource renouvelable ou non renouvelable.

Ressources renouvelables vs ressources non renouvelables

Les ressources renouvelables sont des ressources naturelles qui peuvent être reconstituées pour remplacer la quantité épuisée. Parfois, ce réapprovisionnement se fait par la production naturelle, mais d'autres fois, nous devrons peut-être faire un petit effort. Par exemple, les arbres sont une ressource naturelle et renouvelable. Cependant, lorsque nous abattons des arbres dans une zone plus rapidement qu'ils ne peuvent repousser, nous devons planter de nouvelles graines et jeunes arbres.

Les ressources non renouvelables sont limitées - une fois qu'elles sont épuisées, elles sont épuisées. Notre réserve de nombreuses ressources non renouvelables s'amenuise, et nombre d'entre elles s'épuiseront sous peu. Par exemple, la plupart des estimations prévoient que nous épuiserons l'approvisionnement mondial en pétrole dans 40 ou 50 ans si nous maintenons notre rythme actuel d'extraction de pétrole.

Pour réduire l'épuisement des ressources naturelles, utilisez au maximum les ressources renouvelables. Dans le monde des plastiques, cela signifie utiliser des bioplastiques plutôt que des pétroplastiques. Les pétroplastiques sont produits à partir de pétrole brut non renouvelable, tandis que les bioplastiques sont partiellement ou entièrement dérivés de matériaux de biomasse renouvelables ou de sous-produits naturels et sont plus respectueux de l'environnement que leurs homologues à base de combustibles fossiles. Les matériaux courants dans les bioplastiques comprennent la paille, la sciure de bois, l'amidon de maïs, les copeaux de bois et les huiles et graisses végétales.

Bien que vous puissiez supposer que les plastiques biosourcés sont biodégradables, ce n'est pas toujours le cas. Par exemple, les « bioplastiques drop-in » comme le bio-PET sont chimiquement identiques aux versions à combustible fossile, simplement dérivés de la biomasse, ils ne sont donc pas biodégradables, mais uniquement recyclables. Que vous optiez pour du plastique à base de ressources renouvelables ou non renouvelables, vous pouvez réduire davantage le besoin de matériaux vierges et rendre la production plus durable en utilisant des plastiques à plus forte teneur en matières recyclées.

Matériaux recyclés

La fabrication avec des matériaux recyclés prolonge la durée de vie de ce matériau d'origine, vous n'avez donc pas besoin de vous procurer autant de matériau vierge. Cela peut vous aider à réduire vos coûts de matériaux et contribuer grandement à améliorer la durabilité globale de votre produit. Après tout, produire une tonne de produits en utilisant des plastiques recyclés au lieu de plastique vierge empêche 1,6 tonne d'émissions de dioxyde de carbone de pénétrer dans l'atmosphère et économise cinq barils de pétrole.

Bien que les métaux ne se dégradent pas lorsqu'ils sont recyclés, de nombreux plastiques ne sont pas facilement recyclés ou ne peuvent être recyclés que quelques fois avant que leurs propriétés physiques ne soient considérablement affectées. Dans de nombreux cas, les gens utilisent un mélange de plastique recyclé et vierge pour maintenir des propriétés matérielles acceptables. Les plastiques contenant du contenu recyclé les plus couramment utilisés dans la fabrication sont le polyéthylène téréphtalate (PET) et le polyéthylène haute densité (HDPE).

Comprendre la fin de vie d'un produit

Au-delà de la prise en compte de votre source matérielle, vous voudrez penser à ce qui se passera à la fin de la vie de votre produit. Les matériaux peuvent être biodégradables, compostables, recyclables ou une combinaison des trois (ou aucun !), selon leur composition chimique, il est donc important de comprendre les différences lors de l'évaluation des matériaux.

Plastique biodégradable ou compostable

Bien qu'elles soient souvent utilisées de manière interchangeable, la compostabilité et la biodégradabilité ne sont pas les mêmes. Chaque plastique compostable est biodégradable, mais tous les plastiques biodégradables ne sont pas compostables. Les plastiques compostables, tels que le plastique thermoplastique à base d'amidon (TPS), le succinate de polybutylène (PBS) ou le polycaprolactone (PCL), peuvent se décomposer en éléments organiques et en nutriments qui enrichissent le sol. Les plastiques biodégradables se décomposeront naturellement sans nuire à l'environnement, mais ils ne se décomposeront pas nécessairement en éléments organiques.

Les plastiques biodégradables se divisent en deux groupes :les oxo-biodégradables (plastiques qui se décomposent par oxydation) et les hydro-biodégradables (plastiques qui se décomposent par hydrolyse). Les plastiques hydro-biodégradables ont tendance à se décomposer plus rapidement que les plastiques oxo-biodégradables mais doivent généralement être compostés industriellement. Comparés aux plastiques hydro-biodégradables, les plastiques oxo-biodégradables sont moins chers, plus faciles à traiter et ont de meilleures propriétés mécaniques.

Tous les produits compostables ne sont pas créés égaux non plus. Les produits compostables à domicile se biodégradent dans les conditions et les températures des maisons typiques ou des tas de compost dans la cour arrière. Cependant, les plastiques compostables industriels nécessitent généralement des températures soutenues, la présence de matériaux riches en carbone et en azote, ou plus d'air pour se décomposer dans un délai raisonnable.

Par exemple, l'acide polylactique (PLA) nécessite un compostage industriel car il ne se dégradera qu'à des températures supérieures à 136 degrés. Cependant, le polyhydroxyalcanoate (PHA) peut se décomposer à la maison. Ainsi, bien que le PHA soit plus cher et nécessite plus d'énergie pour être produit, il y a une probabilité plus élevée qu'il se composte, car il ne dépend pas de l'élimination par l'utilisateur final pour se retrouver dans la bonne installation de compostage. Si vous choisissez un plastique compostable commercialement, il est important de réfléchir à la manière dont vous pouvez promouvoir une élimination appropriée. Envisagez un étiquetage clair ou des programmes de reprise.

Matériaux recyclés

Si vous ne pouvez pas vous procurer une option biodégradable, la prochaine meilleure chose est les plastiques recyclables. En règle générale, les thermoplastiques sont beaucoup plus faciles à recycler que les thermodurcissables, car ils peuvent être continuellement fondus et reformés.

Les plastiques les plus couramment recyclés ont un numéro de recyclage qui indique aux consommateurs le type et la recyclabilité du plastique. Les plastiques avec des nombres inférieurs sont plus facilement recyclables que ceux avec des nombres plus élevés. Les plastiques couramment recyclés incluent :

1. PET ou PETE — Le polyéthylène téréphtalate (PET) est un plastique léger, facile à recycler et souvent utilisé dans les emballages, les bouteilles d'eau, les vêtements, les fibres de rembourrage et les cordes.
2. PEHD— Le polyéthylène haute densité (PEHD) est un plastique résistant aux produits chimiques et facilement recyclable.
3. PVC ou V — Le chlorure de polyvinyle (PVC) est un thermoplastique rigide modérément recyclable.
4. LDPE — Le polyéthylène basse densité (LDPE) est modérément recyclable.
5. PP — Le polypropylène (PP) est solide, résistant aux produits chimiques et recyclable.
6. PS — Le polystyrène (PS) est modérément recyclable.
7. Divers — #7 les plastiques ne sont pas recyclables.

En étiquetant vos produits avec le numéro de recyclage approprié, vous pouvez aider les utilisateurs finaux à comprendre quels plastiques sont recyclables et comment ils doivent éliminer leur produit. Vous devrez inclure le numéro de recyclage du produit sur le produit lui-même (par exemple, usinage CNC ou gravure au laser du texte sur le produit) ou transmettre l'information à votre consommateur d'une autre manière (par exemple, sur l'étiquette ou dans un manuel d'instructions) . La plupart des programmes de recyclage en bordure de rue acceptent les chiffres les plus bas, mais certaines villes peuvent ne pas accepter les chiffres les plus élevés, de sorte que ces plastiques devraient être recyclés via des programmes spéciaux.

En plus d'étiqueter clairement vos produits, vous pouvez établir des programmes de reprise pour aider à prolonger la durée de vie de votre matériel. Envisagez d'offrir un programme de recyclage par retour postal, un programme d'échange ou d'organiser des sites de collecte gratuits.

Durabilité dans la fabrication additive

Si vous cherchez à incorporer des matériaux d'impression 3D plus durables, il y a quelques options à considérer. Tout en utilisant la technologie de modélisation par dépôt de fil fondu (FDM), vous pouvez explorer des filaments en plastique recyclé ou biosourcé (comme les filaments Francofil à base d'huîtres et de blé) ou des extrudeuses à base de granulés qui peuvent directement faire fondre des copeaux de plastique broyés.

De plus, les systèmes de production comme HP Multi Jet Fusion s'efforcent de minimiser leur empreinte en permettant à la plupart des excédents de poudre de leurs constructions d'être réutilisés dans de futurs projets lorsqu'ils sont mélangés avec un pourcentage de poudre vierge. Ils recyclent également la poudre non récupérée et les pièces de rebut pour créer un stock de moulage par injection, comme avec ces pièces de production Ford.

Nous avons encore un long chemin à parcourir en matière de durabilité dans la fabrication additive, mais de nombreuses entreprises prennent des mesures pour innover et améliorer la durabilité. De nouveaux matériaux durables sont également constamment en développement, tels que le filament à base d'algues et d'algues et le FilaSoy à base de soja. Forust utilise de la sciure de bois et de la lignine biosourcée pour imprimer du bois en 3D. Il vaut la peine de rechercher quelles options disponibles dans le commerce peuvent fonctionner pour vos applications et de vous renseigner auprès de vos fournisseurs de matériaux pour voir quels progrès ils font en matière de durabilité.

Durabilité dans le moulage par injection et l'uréthane coulé

Dans le moulage par injection et le moulage d'uréthane, les options populaires d'économie de déchets incluent l'utilisation d'un matériau avec un contenu recyclé ou le rebroyage (réalimentation des déchets du processus de moulage par injection). De plus, il vaut la peine de rechercher s'il existe une alternative biosourcée au plastique de votre choix, comme le bio-PET ou le PE à base de canne à sucre ou le bio-PC à base de maïs. Vous pouvez également opter pour des matériaux de remplissage durables, tels que le chanvre, les coques de noix de coco, les coques de riz et les algues, mais veillez à ce qu'ils n'affectent pas négativement la recyclabilité de votre pièce.

Les principaux défis de l'utilisation de matériaux verts

Les matériaux verts sont meilleurs pour l'environnement, mais leur utilisation peut être difficile. Prenez les plastiques recyclés, par exemple. Ils ont souvent des structures moléculaires plus faibles que les plastiques vierges et seront plus sujets à la casse. Ils peuvent également être moins résistants aux produits chimiques, aux impacts et aux températures extrêmes, de sorte que les consommateurs devront acheter un remplacement plus tôt que s'ils avaient acheté un produit fabriqué à partir de plastique vierge. Dans de nombreux cas, les alternatives durables telles que la version biosourcée des plastiques courants peuvent être plus chères que leurs homologues pétrochimiques courants. De plus, il y a généralement moins d'options durables disponibles dans le commerce, il est donc important de continuer à pousser l'innovation dans ce domaine et de faire pression sur les fournisseurs de matériaux pour qu'ils développent et proposent des matériaux moins nocifs.

Choisir des matériaux durables avec Fast Radius

Il y a beaucoup à penser lors du choix d'un matériau pour votre prochain projet, surtout en ce qui concerne la durabilité. De nos jours, de nombreux matériaux durables sont utilisés dans la fabrication, mais il peut être difficile de déterminer si vous avez besoin de quelque chose de biodégradable, compostable, recyclable ou tout à fait différent. Un fabricant expérimenté peut vous aider.

Lorsque vous vous associez à Fast Radius, notre équipe d'experts peut vous guider dans la sélection des matériaux, vous aidant à prendre la meilleure décision pour votre projet. Contactez-nous dès aujourd'hui pour commencer et gardez un œil sur les meilleures pratiques en matière de développement durable de notre équipe Fast Radius.