可持续制造的战略性材料选择指南

资深设计与开发工程师 Izzy de la Guardia，客户应用工程师 Kathleen Bollito

生产可持续零件不仅关乎可持续设计或供应链实践。由于材料环保属性各异，审慎选材能大幅提升制造可持续性。除减少环境影响外，使用可持续材料还能树立绿色企业形象，消费者也更愿支持环保责任企业。

许多金属可反复回收且不降质，塑料却不然。91% 的塑料未被回收，大量流入垃圾填埋场。改进空间巨大，本系列首篇聚焦塑料可持续制造的材料考量。在材料获取、使用、废弃环节均可选择环境成本更低的材料。

材料的可持续获取

欲提升零件可持续性，首审材料来源。需在可再生与不可再生资源间抉择。

可再生资源能自然或人为补充。如树木虽可再生，但采伐超再生速度时需补植。不可再生资源有限，枯竭则不可逆。按当前开采率，石油储量预计 40-50 年耗尽。

为减少自然资源消耗，应最大化使用可再生资源。塑料领域即以生物塑料替代石油基塑料。石油基塑料源自不可再生原油，生物塑料则部分或完全源自可再生生物质或天然副产物，更环保。常见生物塑料原料包括秸秆、锯末、玉米淀粉、木屑、植物油脂等。

注意：生物基塑料不一定可生物降解。如「直接替代型生物塑料」生物 PET 与化石基版本化学结构相同，仅源自生物质，故不可生物降解，仅可回收。无论选用何类塑料，采用高再生含量材料均能减少原生料需求，提升生产可持续性。

使用再生材料延长原材料寿命，减少原生料采购，可降低材料成本并显著提升产品整体可持续性。以再生塑料替代原生塑料生产 1 吨产品，可防止 1.6 吨二氧化碳排放并节省 5 桶石油。

金属回收不降质，但许多塑料难回收或仅能循环几次即显著影响性能。常采用再生与原生塑料共混以维持性能。制造中常用的含再生成分塑料包括 PET 和 HDPE。

除考虑材料来源，还需规划产品寿命终结。材料化学成分决定其可生物降解、可堆肥、可回收或兼具（或均不具备），评估时须辨明差异。

二者常混用但定义不同。所有可堆肥塑料均可生物降解，但可生物降解塑料不一定可堆肥。可堆肥塑料（如热塑性淀粉基塑料 TPS、聚丁二酸琥珀酸酯 PBS、聚己内酯 PCL）能分解为有机元素和养分以滋养土壤。可生物降解塑料自然降解不危害环境，但不一定分解为有机元素。

可生物降解塑料分氧化生物降解（氧化分解）和水解生物降解（水解分解）。水解型降解较快但通常需工业堆肥。氧化型成本较低、易加工、力学性能更好。

可堆肥产品亦有差异。家庭可堆肥产品可在家庭或后院堆肥条件下降解；工业可堆肥塑料通常需持续高温、碳氮丰富物质或更多空气才能在合理时限内分解。

如聚乳酸（PLA）需工业堆肥（>136℃降解），而聚羟基烷酸酯（PHA）可家庭降解。虽 PHA 成本更高、生产能耗更大，但因不依赖终端用户正确投送至堆肥设施，实际堆肥概率更高。若选用工业可堆肥塑料，须考虑如何推广正确处置，如清晰标识或回收计划。

若无可生物降解选项，可回收塑料为次优选择。热塑性塑料通常比热固性塑料更易回收，因可反复熔融成型。

常见可回收塑料有编号标识其类型与可回收性，编号越小越易回收：

在产品标注回收编号，帮助终端用户识别可回收塑料及处置方式。编号需标于产品本身（如 CNC 加工或激光雕刻）或通过标签、说明书传达。大多数路边回收项目接受低编号塑料，高编号可能需专项回收计划。

除清晰标识，建立回收计划可延长材料寿命。可提供邮寄回收、以旧换新或设立免费回收点。

寻求更可持续的 3D 打印材料时，可考虑：FDM 技术下使用再生或生物基塑料丝（如牡蛎基、小麦基 Francofil 丝材）或颗粒挤出机直接熔融粉碎塑料碎片。

HP Multi Jet Fusion 等生产系统致力于减少足迹：构建过程中的多余粉末混合一定比例原生粉末后可复用；未回收粉末和废料可制成注塑原料，如福特生产零件所示。

增材制造可持续性仍有长路，但许多企业正创新改进。新型可持续材料持续开发，如藻类/海藻基丝材、大豆基 FilaSoy；Forust 利用废锯末和生物基木质素 3D 打印木材。值得调研商业可用选项并向材料供应商询问可持续性进展。

注塑和聚氨酯铸造的节废选项包括：使用含再生成分材料或再磨料（将注塑边角料回炉）。也可研究生物基替代材料，如生物 PET、甘蔗基 PE、玉米基生物 PC。可选用可持续填料（麻、椰壳、稻壳、藻类），但须确保不负面影响零件可回收性。

绿色材料利环境但应用有挑战。如再生塑料分子结构常较弱，更易断裂，耐化学、冲击、极端温度性能较差，导致消费者更早更换。生物基替代材料往往比石油基同类更贵。商业可用可持续选项较少，需持续推动创新，施压材料供应商开发危害更小的材料。

材料选择涉及多维考量，尤其在可持续性方面。如今制造业有大量可持续材料，但判断是否需可生物降解、可堆肥、可回收或其他特性颇具挑战。经验丰富的制造商能提供指导。

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