Selección estratégica de materiales para fabricación sostenible

Izzy de la Guardia, Ingeniera Senior de Diseño y Desarrollo, y Kathleen Bollito, Ingeniera de Aplicaciones para Clientes

El camino hacia la producción de piezas sostenibles no termina con el diseño sostenible o las prácticas de la cadena de suministro. Dado que algunos materiales son más ecológicos que otros, tomar decisiones conscientes sobre los materiales puede contribuir enormemente a hacer la fabricación más sostenible. Además de reducir el impacto ambiental de tu empresa, el uso de materiales sostenibles ayuda a construir tu reputación como negocio verde. Además, los consumidores están más dispuestos a apoyar empresas ambientalmente responsables.

Si bien muchos metales pueden reciclarse repetidamente sin perder calidad, lo mismo no ocurre con los plásticos. El 91% del plástico no se recicla, y gran parte termina en vertederos. Hay mucho margen de mejora, por lo que en esta primera parte de nuestra serie sobre fabricación sostenible, nos centraremos en las consideraciones de materiales para la fabricación sostenible con plásticos. Existen oportunidades para seleccionar materiales con menores costos ambientales asociados a su abastecimiento, uso y eliminación.

Abastecimiento sostenible de materiales

Si intentas hacer una pieza más sostenible, analizar de dónde proviene tu material es un excelente punto de partida. Primero, deberás elegir entre un material procedente de un recurso renovable o no renovable.

Recursos renovables vs. no renovables

Los recursos renovables son recursos naturales que pueden reponerse para reemplazar la cantidad agotada. A veces, esta reposición se logra mediante producción natural, pero otras veces puede requerir intervención humana. Por ejemplo, los árboles son un recurso natural renovable. Sin embargo, si talamos árboles en una zona más rápido de lo que pueden regenerarse, necesitamos plantar nuevas semillas y brotes.

Los recursos no renovables son finitos: una vez que se agotan, desaparecen. Nuestra reserva de muchos recursos no renovables está disminuyendo y muchos se agotarán pronto. Por ejemplo, la mayoría de las estimaciones predicen que agotaremos el suministro mundial de petróleo en 40 o 50 años si continuamos con la tasa actual de extracción.

Para reducir el agotamiento de los recursos naturales, utiliza recursos renovables siempre que sea posible. En el mundo de los plásticos, esto significa usar bioplásticos en lugar de petroplásticos. Los petroplásticos se producen a partir de petróleo crudo no renovable, mientras que los bioplásticos se derivan parcial o totalmente de materiales de biomasa renovable o subproductos naturales, siendo más ecológicos que sus contrapartes basadas en combustibles fósiles. Los materiales comunes en bioplásticos incluyen paja, aserrín, almidón de maíz, astillas de madera, y aceites y grasas vegetales.

Aunque podrías asumir que los plásticos biobasados son biodegradables, no siempre es así. Por ejemplo, los "bioplásticos drop-in" como el bio-PET son químicamente idénticos a las versiones de combustibles fósiles, solo que derivados de biomasa, por lo que no son biodegradables, solo reciclables. Ya sea que optes por plásticos basados en recursos renovables o no renovables, puedes reducir aún más la necesidad de material virgen y hacer la producción más sostenible usando plásticos con mayor contenido reciclado.

Materiales reciclados

Fabricar con material reciclado extiende la vida útil de ese material original, por lo que no necesitas obtener tanto material virgen. Esto puede ayudarte a reducir costos de material y contribuir significativamente a mejorar la sostenibilidad general de tu producto. Después de todo, producir una tonelada de productos usando plásticos reciclados en lugar de plástico virgen evita que 1,6 toneladas de emisiones de dióxido de carbono entren a la atmósfera y ahorra cinco barriles de petróleo.

Si bien los metales no se degradan al reciclarse, muchos plásticos no se reciclan fácilmente o solo pueden reciclarse unas pocas veces antes de que sus propiedades físicas se vean afectadas significativamente. En muchos casos, se usa una mezcla de plástico reciclado y virgen para mantener propiedades de material aceptables. Los plásticos con contenido reciclado más comunes en la fabricación incluyen tereftalato de polietileno (PET) y polietileno de alta densidad (HDPE).

Comprender el fin de vida del producto

Más allá de considerar la fuente de tu material, querrás pensar en qué sucederá al final de la vida útil de tu producto. Los materiales pueden ser biodegradables, compostables, reciclables, o alguna combinación de los tres (o ninguno), dependiendo de su composición química, por lo que es importante entender las diferencias al evaluar materiales.

Plásticos biodegradables vs. compostables

Aunque a menudo se usan indistintamente, la compostabilidad y la biodegradabilidad no son lo mismo. Todo plástico compostable es biodegradable, pero no todo plástico biodegradable es compostable. Los plásticos compostables, como el plástico a base de almidón termoplástico (TPS), el polibutileno succinato (PBS) o el policaprolactona (PCL), pueden descomponerse en elementos orgánicos y nutrientes que enriquecen el suelo. Los plásticos biodegradables se descomponen naturalmente sin dañar el medio ambiente, pero no necesariamente se descomponen en elementos orgánicos.

Los plásticos biodegradables se dividen en dos grupos: oxo-biodegradables (plásticos que se descomponen por oxidación) e hidro-biodegradables (plásticos que se descomponen por hidrólisis). Los plásticos hidro-biodegradables tienden a descomponerse más rápido que los oxo-biodegradables, pero generalmente deben compostarse industrialmente. Comparados con los hidro-biodegradables, los oxo-biodegradables son menos costosos, más fáciles de procesar y tienen mejores propiedades mecánicas.

Tampoco todos los productos compostables son iguales. Los productos compostables en casa se biodegradan en condiciones y temperaturas típicas de hogares o pilas de compost en el jardín. Sin embargo, los plásticos compostables industrialmente suelen requerir temperaturas sostenidas, presencia de materiales ricos en carbono y nitrógeno, o más aire para descomponerse en un plazo razonable.

Por ejemplo, el ácido poliláctico (PLA) requiere compostaje industrial porque solo se degrada a temperaturas superiores a 58 °C (136 °F). Sin embargo, el polihidroxialcanoato (PHA) puede descomponerse en casa. Así que, aunque el PHA es más caro y requiere más energía para producir, hay mayor probabilidad de que se composte, ya que no depende de la eliminación del usuario final para terminar en la instalación de compostaje correcta. Si seleccionas un plástico compostable comercialmente, es importante considerar cómo promover su eliminación adecuada. Considera etiquetado claro o programas de devolución.

Materiales reciclados

Si no puedes obtener una opción biodegradable, lo siguiente mejor son los plásticos reciclables. Generalmente, los termoplásticos son mucho más fáciles de reciclar que los termoestables, ya que pueden fundirse y reformarse continuamente.

Los plásticos reciclados más comúnmente tienen un número de reciclaje asignado que indica a los consumidores el tipo de plástico y su reciclabilidad. Los plásticos con números más bajos son más fácilmente reciclables que los de números más altos. Plásticos comúnmente reciclados incluyen:

1. PET o PETE — El tereftalato de polietileno (PET) es un plástico ligero, fácil de reciclar y usado a menudo en envases, botellas de agua, ropa, relleno de fibra y cuerdas.
2. HDPE — El polietileno de alta densidad (HDPE) es un plástico resistente químicamente y fácilmente reciclable.
3. PVC o V — El cloruro de polivinilo (PVC) es un termoplástico rígido moderadamente reciclable.
4. LDPE — El polietileno de baja densidad (LDPE) es moderadamente reciclable.
5. PP — El polipropileno (PP) es resistente, químicamente resistente y reciclable.
6. PS — El poliestireno (PS) es moderadamente reciclable.
7. Varios — Los plásticos #7 no son reciclables.

Al etiquetar tus productos con el número de reciclaje apropiado, ayudas a los usuarios finales a entender qué plásticos son reciclables y cómo deben desechar su producto. Deberás incluir el número de reciclaje del producto en el propio producto (por ejemplo, mecanizado CNC o grabado láser del texto en el producto) o transmitir la información al consumidor de otra manera (por ejemplo, en la etiqueta o en el manual de instrucciones). La mayoría de los programas de reciclaje en la acera aceptan los números más bajos, pero algunas ciudades podrían no aceptar los números más altos, por lo que estos plásticos necesitarían reciclarse a través de programas especiales.

Además de etiquetar claramente tus productos, puedes establecer programas de devolución para ayudar a extender la vida útil del material. Considera ofrecer un programa de reciclaje por correo, un programa de intercambio o organizar puntos de recolección gratuitos.

Sostenibilidad en fabricación aditiva

Si buscas incorporar materiales de impresión 3D más sostenibles, hay algunas opciones a considerar. Al usar tecnología de modelado por deposición fundida (FDM), puedes explorar filamentos hechos de plástico reciclado o biobasado (como los filamentos Francofil a base de ostras y trigo) o extrusores basados en pellets que pueden fundir directamente chips de plástico molido.

Además, sistemas de producción como HP Multi Jet Fusion están trabajando para minimizar su huella permitiendo que la mayor parte del exceso de polvo de sus construcciones se reutilice en proyectos futuros al mezclarse con un porcentaje de polvo virgen. También reciclan polvo no recuperado y piezas de desecho para crear material para moldeo por inyección, como en estas piezas de producción de Ford.

Aún queda un largo camino por recorrer en sostenibilidad en fabricación aditiva, pero muchas empresas están dando pasos para innovar y mejorar la sostenibilidad. También se están desarrollando constantemente nuevos materiales sostenibles, como filamentos a base de algas y algas marinas y FilaSoy a base de soja. Forust utiliza aserrín de desecho y lignina biobasada para imprimir madera en 3D. Vale la pena investigar qué opciones comercialmente disponibles pueden funcionar para tus aplicaciones e indagar a tus proveedores de materiales sobre los avances que están logrando en sostenibilidad.

Sostenibilidad en moldeo por inyección y colada de uretano

En el moldeo por inyección y la colada de uretano, las opciones populares para ahorrar desechos incluyen usar material con contenido reciclado o re-moler (alimentar el desperdicio del proceso de moldeo por inyección de nuevo en el mismo). Además, vale la pena investigar si existe una alternativa biobasada a tu plástico de elección, como bio-PET o PE hecho de caña de azúcar o bio-PC hecho de maíz. También puedes optar por materiales de relleno sostenibles, como cáñamo, cáscaras de coco, cascarillas de arroz y algas, pero ten cuidado de asegurarte de que no afecten negativamente la reciclabilidad de tu pieza.

Los principales desafíos del uso de materiales verdes

Los materiales verdes son mejores para el medio ambiente, pero usarlos puede ser un desafío. Tomemos los plásticos reciclados, por ejemplo. A menudo tienen estructuras moleculares más débiles que los plásticos vírgenes y son más propensos a romperse. También pueden ser menos resistentes a químicos, impactos y temperaturas extremas, por lo que los consumidores necesitarán comprar un reemplazo antes que si hubieran comprado un producto hecho de plástico virgen. En muchos casos, alternativas sostenibles como la versión biobasada de plásticos comunes pueden ser más caras que sus contrapartes petroquímicas convencionales. Además, generalmente hay menos opciones sostenibles disponibles comercialmente, por lo que es importante seguir impulsando la innovación en este campo y presionar a los proveedores de materiales para que desarrollen y ofrezcan materiales menos dañinos.

Elección de materiales sostenibles con Fast Radius

Hay mucho en qué pensar al elegir un material para tu próximo proyecto, especialmente en lo que respecta a la sostenibilidad. Hoy en día, hay muchos materiales sostenibles usados en la fabricación, pero puede ser difícil determinar si necesitas algo biodegradable, compostable, reciclable o totalmente diferente. Un fabricante experimentado puede ayudar.

Cuando te asocias con Fast Radius, nuestro equipo de expertos puede guiarte en la selección de materiales, ayudándote a tomar la mejor decisión para tu proyecto. Contáctanos hoy para comenzar, y mantente atento a más mejores prácticas de sostenibilidad de nuestro equipo de Fast Radius.