源自再生的設(shè)計(jì)（Design FROM Recycling）

《指南》著重介紹了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中提高再生塑料使用率的設(shè)計(jì)策略，即“門B”源自再生的設(shè)計(jì)策略。為此，《指南》列出了3個(gè)主要挑戰(zhàn)——再生塑料帶來的挑戰(zhàn)、開發(fā)過程中的挑戰(zhàn)、在生產(chǎn)中應(yīng)用再生塑料的挑戰(zhàn)，并分析了在開發(fā)過程的每個(gè)步驟中可能出現(xiàn)的具體挑戰(zhàn)，還詳細(xì)介紹了“插入式方法”。

1. 再生塑料帶來的挑戰(zhàn)

原生聚合物通常是為非常具體和苛刻的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，以滿足一組復(fù)雜的要求或特性的材料。為滿足這些要求或特性，設(shè)計(jì)者/制造商使用各種不同的熱塑性塑料，如苯乙烯（PS、HIPS、ABS、SAN）、聚烯烴（HDPE、LDPE、PP）和不同的工程熱塑性塑料（PC、POM、PUR、PA）。設(shè)計(jì)者/制造商加工前通常會添加多種添加劑（有機(jī)和無機(jī)），用于改變材料的特性（如顏色、熔點(diǎn)、可燃性、密度），或者用于滿足法規(guī)、設(shè)計(jì)或成本的要求。

以下添加劑現(xiàn)在已受到管制，但在過去可能已被添加到塑料中：顏料（如TiO₂、ZnO、Cr₂O₃、Fe₂O₃、Cd）；阻燃劑（通常是與Sb₂O₃或多氯聯(lián)苯PCBs結(jié)合的溴化有機(jī)物）；穩(wěn)定劑；增塑劑（如Ba、Cd、Pb、Sn和Zn的化合物，或PCBs）。

然而，批準(zhǔn)新的再生工藝和再生塑料的申請程序是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前，業(yè)內(nèi)還沒有關(guān)于如何申請?jiān)偕芰吓鷾?zhǔn)的明確指南，而且由于再生塑料尚未廣泛使用，缺乏有價(jià)值的參考案例來幫助做出決定。自2019年5月以來，EFSA就再生塑料的使用做出了一系列新的決定，但是這些決定都尚未得到歐盟委員會的批準(zhǔn)。實(shí)踐中，除了瓶用PET，所有食品包裝材料最多只能通過開環(huán)再生利用。

當(dāng)前，設(shè)計(jì)者/制造商可能會遵循企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)和材料策略。這些策略因企業(yè)而異，因此設(shè)計(jì)者/制造商面臨的挑戰(zhàn)是找到符合自身發(fā)展的解決方案。要掌握解決方案，使用面向可取性、盈利能力和可行性的集成產(chǎn)品開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)來評估產(chǎn)品的概念是很有幫助的。這有助于設(shè)計(jì)者/制造商選擇對產(chǎn)品最有用的創(chuàng)意和再生塑料。

從實(shí)踐來看，所有創(chuàng)建的源自再生的設(shè)計(jì)方案短期或中期的商業(yè)利益都必須被證明是合理的。例如，一種可行的再生塑料材料的購買價(jià)格可能與原生版本不同。當(dāng)產(chǎn)品的商業(yè)案例是經(jīng)濟(jì)可行的（如具有更高的銷售利潤率），它可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。當(dāng)前，只有少數(shù)公司能夠?qū)⑺锌沙掷m(xù)性方面的知識系統(tǒng)地整合到自己的產(chǎn)品戰(zhàn)略和開發(fā)中。其中，一些產(chǎn)品通過了從搖籃到搖籃的認(rèn)證，但通常沒有具體的盈利能力要求。在選擇使用再生塑料之前，設(shè)計(jì)者/制造商了解相關(guān)成本和收入很重要。

另一個(gè)需要考慮的方面是應(yīng)用再生塑料代替常用的原生材料會增加項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樵偕芰系馁|(zhì)量未經(jīng)時(shí)間的驗(yàn)證，需要在項(xiàng)目中進(jìn)行調(diào)查。選擇正確的再生材料必須根據(jù)技術(shù)、法規(guī)和成本等因素審慎決定，包括前面提到的集成產(chǎn)品開發(fā)（IPD）模型的技術(shù)可行性-經(jīng)濟(jì)可行性檢查?！吨改稀窂?qiáng)調(diào)，將再生材料整合到新產(chǎn)品中不應(yīng)對任何的IPD評估標(biāo)準(zhǔn)（合意性Desirability-技術(shù)可行性Feasibility-經(jīng)濟(jì)可行性Viability）產(chǎn)生負(fù)面影響，而應(yīng)該保持不變或增強(qiáng)。

整合再生材料需要平衡合意性、技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性。該工作的一般規(guī)則包括：如果再生塑料的整合提高了IPD評估標(biāo)準(zhǔn)中的一項(xiàng)，且不會對其他兩項(xiàng)產(chǎn)生負(fù)面影響，則該材料將被認(rèn)真考慮；如果該材料對成本有負(fù)面影響，則需要確保驗(yàn)證產(chǎn)品的商業(yè)案例。例如，以更高的價(jià)格銷售產(chǎn)品可以彌補(bǔ)成本的增加，從而成為經(jīng)濟(jì)可行的解決方案。

通常而言，再生塑料對于設(shè)計(jì)者/制造商是新事物，因此實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果是一條充滿不確定性的道路。知識、經(jīng)驗(yàn)的缺乏和風(fēng)險(xiǎn)的增加是產(chǎn)品使用更多再生塑料的主要障礙。為此，《指南》對原生塑料和再生塑料的主要技術(shù)屬性和經(jīng)濟(jì)屬性進(jìn)行了比較（見表1）。

《指南》提出，與當(dāng)前的非循環(huán)產(chǎn)品相比，在新產(chǎn)品中應(yīng)用再生聚合物替代原生聚合物的目標(biāo)應(yīng)遵循3個(gè)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)：（1）保持產(chǎn)品的盈利能力，如降低材料成本或提高利潤率（提高市場增值），以彌補(bǔ)較高的材料成本；（2）不損害合意性（氣味、美學(xué)、可用性）；（3）符合技術(shù)可行性要求（如功能、堅(jiān)固性、抗紫外線性能、水密性等）。

2. 開發(fā)過程中的挑戰(zhàn)

在設(shè)計(jì)塑料產(chǎn)品時(shí)，材料質(zhì)量（塑料級）、產(chǎn)品幾何、模具、生產(chǎn)工藝4個(gè)產(chǎn)品參數(shù)定義了材料在性能和外觀方面的特性。

圖6所示的后續(xù)順序定義了設(shè)計(jì)者/制造商創(chuàng)建好產(chǎn)品所遵循的實(shí)際/邏輯過程，被稱為“開發(fā)瀑布”。

圖6 關(guān)鍵產(chǎn)品參數(shù)

這4個(gè)產(chǎn)品參數(shù)彼此直接相關(guān)，意味著更改其中一個(gè)參數(shù)很可能會對另一個(gè)參數(shù)和結(jié)果產(chǎn)生影響。

每個(gè)塑料等級都有特定的性能。這些特性會影響材料的機(jī)械和/或美學(xué)性能。再生塑料（再生PP、再生ABS等）的特性與原生塑料（PP、ABS等）不同。將產(chǎn)品材料從原生塑料轉(zhuǎn)換為再生塑料意味著4個(gè)產(chǎn)品參數(shù)中至少有一個(gè)會發(fā)生變化，并影響最終結(jié)果。

再生塑料的實(shí)際性能很可能與感知到的性能與產(chǎn)品參數(shù)的所有方面都相關(guān)?！吨改稀房偨Y(jié)了每個(gè)參數(shù)的具體挑戰(zhàn)（詳見表2）。

3. 插入式方法：一種應(yīng)用再生塑料的方法

如果設(shè)計(jì)者/制造商想將再生塑料整合到新產(chǎn)品中，并達(dá)到所要求的性能，需要了解計(jì)劃使用的再生材料的影響和特性。一般來說，設(shè)計(jì)者/制造商必須在一開始就處理兩個(gè)關(guān)鍵的不確定性：一是如何將需求和功能正確地轉(zhuǎn)化為要開發(fā)的產(chǎn)品，二是掌握再生塑料未知的特性。

通過將再生塑料“插入”現(xiàn)有產(chǎn)品的模具中，設(shè)計(jì)者/制造商可以了解到很多關(guān)于再生材料的性能。再生塑料通常被稱為PCR（消費(fèi)后再生）或PIR（工業(yè)后再生）材料。通過使用PCR和PIR塑料并與原生塑料制成的零件進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)者/制造商可以逐步了解再生塑料的應(yīng)用可能性。首先，設(shè)計(jì)者/制造商可以使用簡單的形狀來確定某些關(guān)鍵特性。建立更多信心后，設(shè)計(jì)者/制造商可以嘗試更復(fù)雜的形狀。這種循序漸進(jìn)的方法有助于設(shè)計(jì)者/制造商確定再生塑料性能是否與原生材料相當(dāng)，了解需要調(diào)整的地方，弄清楚材料或產(chǎn)品幾何是否可以微調(diào)。

“插入式方法”不僅是以再生塑料開發(fā)新產(chǎn)品的開始，而且可以成為設(shè)計(jì)者/制造商內(nèi)部能力和能力建設(shè)的開始。關(guān)于再生材料性能的新知識將形成設(shè)計(jì)者/制造商的知識庫，這對未來的項(xiàng)目推進(jìn)具有非常大的價(jià)值。“插入式方法”是Pezy Group在“地平線2020”（Horizon 2020）PolyCE項(xiàng)目期間開發(fā)的。《指南》將業(yè)界研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來，基于插入的復(fù)雜性等級工具、材料批準(zhǔn)的6個(gè)步驟、觀察與學(xué)習(xí)原則的3個(gè)關(guān)鍵支柱，構(gòu)建起“插入式方法”這一源自再生的設(shè)計(jì)工具。

 

“插入式方法”的詳解

《指南》所述的“插入式方法”是從應(yīng)用“復(fù)雜性等級工具”開始的，然后遵循“材料批準(zhǔn)的6個(gè)步驟”，以此指導(dǎo)設(shè)計(jì)者/制造商完成從材料選擇到再生塑料零件批量生產(chǎn)的整個(gè)過程，再通過“觀察與學(xué)習(xí)”構(gòu)建演示件，提供機(jī)械和美學(xué)特性的第一個(gè)實(shí)物證明，并帶來新的工藝見解。

復(fù)雜性等級工具

一旦設(shè)計(jì)者/制造商選擇在新產(chǎn)品中使用再生塑料，確定第一個(gè)起點(diǎn)就很重要。一家公司通常有各種各樣的產(chǎn)品，每種產(chǎn)品都由不同的塑料零件組成。所有零件都需要滿足自身的特定要求（如機(jī)械性能、美學(xué)、法律要求等），這些要求又可以定義再生塑料整合的復(fù)雜性等級。由于從頭開始積累再生材料的應(yīng)用知識會遇到不少障礙，《指南》建議從技術(shù)和美學(xué)要求相對較低的零件開始，從而更容易切入再生材料的制造和應(yīng)用。

通過評估企業(yè)的產(chǎn)品組合并將產(chǎn)品零件分類為從“唾手可得的且可行的”到“最好的且尚不可行的”不等，設(shè)計(jì)者/制造商可以定義路線圖和第一個(gè)起點(diǎn)（見圖7）。

圖7 復(fù)雜性等級

除了產(chǎn)品零件，企業(yè)還應(yīng)考慮再生材料的可用性（數(shù)量和質(zhì)量）、設(shè)計(jì)自由度、美學(xué)特性、機(jī)械要求、符合法規(guī)和復(fù)雜性等方面。這些方面可以通過使用決策樹格式的復(fù)雜性等級工具進(jìn)行評估。這種決策樹的示例如圖8所示。決策樹可以幫助設(shè)計(jì)者/制造商確定將某個(gè)產(chǎn)品零件從原生品級轉(zhuǎn)換為再生品級的復(fù)雜性。

圖8是評估聚合物類型的示例。從現(xiàn)有再生塑料（PE、PP、PS、ABS、PC/ABS、PC或PET）中選擇一種聚合物開始，第二列用于確定是否具有特殊要求或特定應(yīng)用的外部/內(nèi)部零件。通常，用再生材料替換內(nèi)部零件更容易，因?yàn)榱慵拿缹W(xué)要求相對較低。第三列和第四列顯示了對實(shí)現(xiàn)良好質(zhì)量至關(guān)重要的詳細(xì)要求，綠色、橙色和紅色分別表示某些特性在多大程度上容易實(shí)現(xiàn)、具有挑戰(zhàn)性或目前無法實(shí)現(xiàn)。

圖8 復(fù)雜性等級工具

復(fù)雜性等級工具是一個(gè)流程圖，用于說明根據(jù)視覺和技術(shù)要求以及適用法規(guī)將特定零件轉(zhuǎn)化為再生塑料品級的可行性。這為路線圖提供了短期（唾手可得的）和更長期（最好的）項(xiàng)目的信息。其中，CTQ=質(zhì)量關(guān)鍵。此外，醫(yī)療產(chǎn)品、食品包裝和玩具等特定的材料應(yīng)用（尚）不適用于再生材料。

批準(zhǔn)材料的六步驟

在選擇要應(yīng)用再生塑料制造的零件后，產(chǎn)品開發(fā)過程正式啟動(dòng)（見圖9）。根據(jù)之前使用的原生塑料類型及具體要求，設(shè)計(jì)者/制造商需要為再生塑料確定合適的供應(yīng)商。供應(yīng)商提供材料的詳細(xì)信息和樣品至關(guān)重要，以便設(shè)計(jì)者/制造商進(jìn)行小規(guī)模測試。設(shè)計(jì)者/制造商需要首先測試再生塑料的機(jī)械和美學(xué)特性。這些測試結(jié)果將表明再生材料與最初使用的原生塑料的差異所在以及差異程度。當(dāng)選擇有潛力的材料時(shí)，設(shè)計(jì)者/制造商需要關(guān)注最有希望的材料。此步驟完成后，設(shè)計(jì)者/制造商即可以進(jìn)行試模。

圖9 材料批準(zhǔn)的六步驟

接下來，設(shè)計(jì)者/制造商采取的步驟應(yīng)側(cè)重于特定應(yīng)用程序的詳細(xì)信息。設(shè)計(jì)過程可能需要進(jìn)行一些更改，以符合再生塑料特性的要求。產(chǎn)品架構(gòu)和零件的設(shè)計(jì)可能需要更改，以幫助降低回收的復(fù)雜性，并增加更多再生材料使用的空間。

成本、可用性、顏色穩(wěn)定性、批次間穩(wěn)定性和工藝能力等不確定性需要降至最低，以證明再生材料符合商業(yè)案例和產(chǎn)品的技術(shù)需求。只有采取這些步驟后，設(shè)計(jì)者/制造商才有可能走向大型模具試驗(yàn)、產(chǎn)品組裝，并最終進(jìn)行產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

觀察與學(xué)習(xí)原則

插入式方法的第三個(gè)支柱是消除六步驟中每一個(gè)步驟的特定不確定性。通過創(chuàng)建演示件，設(shè)計(jì)者/制造商可以證明美學(xué)和機(jī)械特性以及加工過程中的材料行為?！吨改稀穼⑦@些樣本稱為“演示件”。這些“演示件”展示了真實(shí)的信息，可以支持設(shè)計(jì)者/制造商對正在調(diào)查的PCR材料做出決定。通過使用現(xiàn)有模具（不增加模具成本），設(shè)計(jì)者/制造商可以了解更多關(guān)于再生塑料的可能性。再生塑料模制的零件可以與由原生塑料制成的現(xiàn)有產(chǎn)品的零件進(jìn)行比較。對于原生塑料零件，設(shè)計(jì)者/制造商通常已經(jīng)掌握了很多知識，可以作為檢查由再生塑料制成零件的各個(gè)方面性能的參考。

創(chuàng)建簡單的形狀可以更好地了解加工性能并確定機(jī)械和加工特性。例如，可以從制作拉伸棒（見圖10）開始或進(jìn)行螺旋流動(dòng)試驗(yàn)。這些零件和試驗(yàn)對于了解更多關(guān)于再生塑料的機(jī)械性能非常有意義。為了發(fā)現(xiàn)材料的美學(xué)品質(zhì)，最好使用帶紋理的簡單曲線形狀。從供應(yīng)商處生產(chǎn)可用顏色的樣品，這些樣品將為設(shè)計(jì)者/制造商提供可達(dá)到的質(zhì)量水平的良好指示。

圖10 拉伸桿

創(chuàng)建實(shí)物樣品是展示再生塑料潛力的有力且令人信服的方法。一旦確信再生材料可以使用，設(shè)計(jì)者/制造商即可嘗試塑造更復(fù)雜的形狀（見圖11），并進(jìn)一步了解材料在產(chǎn)品幾何和加工時(shí)間更長的生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性。

圖11 大表面試模示例

需要注意的是，拉伸棒具有標(biāo)準(zhǔn)化的試樣橫截面，包括兩個(gè)肩部和兩肩之間的標(biāo)距（截面）。拉伸試驗(yàn)是在拉伸棒上施加拉伸（拉）力并測量對該應(yīng)力的響應(yīng)。拉伸試驗(yàn)可以確定材料的強(qiáng)度和拉伸程度。螺旋流動(dòng)試驗(yàn)則是通過測量樹脂沿螺旋腔路徑流動(dòng)的長度和重量來測定熱塑性樹脂的流動(dòng)特性。

遵循這一原則意味著設(shè)計(jì)者/制造商開始建立成功實(shí)施循環(huán)解決方案所需的關(guān)于再生塑料材料的內(nèi)部知識。

總之，創(chuàng)建演示件為設(shè)計(jì)者/制造商提供了實(shí)施循環(huán)設(shè)計(jì)更廣闊的思路。首先，它有助于確定設(shè)計(jì)者/制造商為產(chǎn)品選定的再生材料的技術(shù)可行性和合意性。其次，設(shè)計(jì)者/制造商積累了原生塑料和再生塑料的性能對比知識，并找出了再生塑料的匹配程度，將有助于建立一個(gè)更完整的再生塑料規(guī)范數(shù)據(jù)庫。第三，這也是設(shè)計(jì)者/制造商建立完整的工藝內(nèi)部知識的關(guān)鍵方法，以消除現(xiàn)存的認(rèn)知差距。（中國家用電器協(xié)會 萬春暉編譯）（未完待續(xù)）