源自再生的設計（Design FROM Recycling）

《指南》著重介紹了在產品設計過程中提高再生塑料使用率的設計策略，即“門B”源自再生的設計策略。為此，《指南》列出了3個主要挑戰——再生塑料帶來的挑戰、開發過程中的挑戰、在生產中應用再生塑料的挑戰，并分析了在開發過程的每個步驟中可能出現的具體挑戰，還詳細介紹了“插入式方法”。

1. 再生塑料帶來的挑戰

原生聚合物通常是為非常具體和苛刻的應用而設計的，以滿足一組復雜的要求或特性的材料。為滿足這些要求或特性，設計者/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）。設計者/制造商加工前通常會添加多種添加劑（有機和無機），用于改變材料的特性（如顏色、熔點、可燃性、密度），或者用于滿足法規、設計或成本的要求。

以下添加劑現在已受到管制，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或多氯聯苯PCBs結合的溴化有機物）；穩定劑；增塑劑（如Ba、Cd、Pb、Sn和Zn的化合物，或PCBs）。

然而，批準新的再生工藝和再生塑料的申請程序是一個挑戰。目前，業內還沒有關于如何申請再生塑料批準的明確指南，而且由于再生塑料尚未廣泛使用，缺乏有價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。實踐中，除了瓶用PET，所有食品包裝材料最多只能通過開環再生利用。

當前，設計者/制造商可能會遵循企業的產品開發和材料策略。這些策略因企業而異，因此設計者/制造商面臨的挑戰是找到符合自身發展的解決方案。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品開發標準來評估產品的概念是很有幫助的。這有助于設計者/制造商選擇對產品最有用的創意和再生塑料。

從實踐來看，所有創建的源自再生的設計方案短期或中期的商業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格可能與原生版本不同。當產品的商業案例是經濟可行的（如具有更高的銷售利潤率），它可能是一個不錯的選擇。當前，只有少數公司能夠將所有可持續性方面的知識系統地整合到自己的產品戰略和開發中。其中，一些產品通過了從搖籃到搖籃的認證，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，設計者/制造商了解相關成本和收入很重要。

另一個需要考慮的方面是應用再生塑料代替常用的原生材料會增加項目風險。因為再生塑料的質量未經時間的驗證，需要在項目中進行調查。選擇正確的再生材料必須根據技術、法規和成本等因素審慎決定，包括前面提到的集成產品開發（IPD）模型的技術可行性-經濟可行性檢查。《指南》強調，將再生材料整合到新產品中不應對任何的IPD評估標準（合意性Desirability-技術可行性Feasibility-經濟可行性Viability）產生負面影響，而應該保持不變或增強。

整合再生材料需要平衡合意性、技術可行性和經濟可行性。該工作的一般規則包括：如果再生塑料的整合提高了IPD評估標準中的一項，且不會對其他兩項產生負面影響，則該材料將被認真考慮；如果該材料對成本有負面影響，則需要確保驗證產品的商業案例。例如，以更高的價格銷售產品可以彌補成本的增加，從而成為經濟可行的解決方案。

通常而言，再生塑料對于設計者/制造商是新事物，因此實現預期結果是一條充滿不確定性的道路。知識、經驗的缺乏和風險的增加是產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屬性和經濟屬性進行了比較（見表1）。

《指南》提出，與當前的非循環產品相比，在新產品中應用再生聚合物替代原生聚合物的目標應遵循3個開發標準：（1）保持產品的盈利能力，如降低材料成本或提高利潤率（提高市場增值），以彌補較高的材料成本；（2）不損害合意性（氣味、美學、可用性）；（3）符合技術可行性要求（如功能、堅固性、抗紫外線性能、水密性等）。

2. 開發過程中的挑戰

在設計塑料產品時，材料質量（塑料級）、產品幾何、模具、生產工藝4個產品參數定義了材料在性能和外觀方面的特性。

圖6所示的后續順序定義了設計者/制造商創建好產品所遵循的實際/邏輯過程，被稱為“開發瀑布”。

圖6 關鍵產品參數

這4個產品參數彼此直接相關，意味著更改其中一個參數很可能會對另一個參數和結果產生影響。

每個塑料等級都有特定的性能。這些特性會影響材料的機械和/或美學性能。再生塑料（再生PP、再生ABS等）的特性與原生塑料（PP、ABS等）不同。將產品材料從原生塑料轉換為再生塑料意味著4個產品參數中至少有一個會發生變化，并影響最終結果。

再生塑料的實際性能很可能與感知到的性能與產品參數的所有方面都相關。《指南》總結了每個參數的具體挑戰（詳見表2）。

3. 插入式方法：一種應用再生塑料的方法

如果設計者/制造商想將再生塑料整合到新產品中，并達到所要求的性能，需要了解計劃使用的再生材料的影響和特性。一般來說，設計者/制造商必須在一開始就處理兩個關鍵的不確定性：一是如何將需求和功能正確地轉化為要開發的產品，二是掌握再生塑料未知的特性。

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

“插入式方法”不僅是以再生塑料開發新產品的開始，而且可以成為設計者/制造商內部能力和能力建設的開始。關于再生材料性能的新知識將形成設計者/制造商的知識庫，這對未來的項目推進具有非常大的價值。“插入式方法”是Pezy Group在“地平線2020”（Horizon 2020）PolyCE項目期間開發的。《指南》將業界研究和實踐經驗結合起來，基于插入的復雜性等級工具、材料批準的6個步驟、觀察與學習原則的3個關鍵支柱，構建起“插入式方法”這一源自再生的設計工具。

 

“插入式方法”的詳解

《指南》所述的“插入式方法”是從應用“復雜性等級工具”開始的，然后遵循“材料批準的6個步驟”，以此指導設計者/制造商完成從材料選擇到再生塑料零件批量生產的整個過程，再通過“觀察與學習”構建演示件，提供機械和美學特性的第一個實物證明，并帶來新的工藝見解。

復雜性等級工具

一旦設計者/制造商選擇在新產品中使用再生塑料，確定第一個起點就很重要。一家公司通常有各種各樣的產品，每種產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（如機械性能、美學、法律要求等），這些要求又可以定義再生塑料整合的復雜性等級。由于從頭開始積累再生材料的應用知識會遇到不少障礙，《指南》建議從技術和美學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用。

通過評估企業的產品組合并將產品零件分類為從“唾手可得的且可行的”到“最好的且尚不可行的”不等，設計者/制造商可以定義路線圖和第一個起點（見圖7）。

圖7 復雜性等級

除了產品零件，企業還應考慮再生材料的可用性（數量和質量）、設計自由度、美學特性、機械要求、符合法規和復雜性等方面。這些方面可以通過使用決策樹格式的復雜性等級工具進行評估。這種決策樹的示例如圖8所示。決策樹可以幫助設計者/制造商確定將某個產品零件從原生品級轉換為再生品級的復雜性。

圖8是評估聚合物類型的示例。從現有再生塑料（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用的外部/內部零件。通常，用再生材料替換內部零件更容易，因為零件的美學要求相對較低。第三列和第四列顯示了對實現良好質量至關重要的詳細要求，綠色、橙色和紅色分別表示某些特性在多大程度上容易實現、具有挑戰性或目前無法實現。

圖8 復雜性等級工具

復雜性等級工具是一個流程圖，用于說明根據視覺和技術要求以及適用法規將特定零件轉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）項目的信息。其中，CTQ=質量關鍵。此外，醫療產品、食品包裝和玩具等特定的材料應用（尚）不適用于再生材料。

批準材料的六步驟

在選擇要應用再生塑料制造的零件后，產品開發過程正式啟動（見圖9）。根據之前使用的原生塑料類型及具體要求，設計者/制造商需要為再生塑料確定合適的供應商。供應商提供材料的詳細信息和樣品至關重要，以便設計者/制造商進行小規模測試。設計者/制造商需要首先測試再生塑料的機械和美學特性。這些測試結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。當選擇有潛力的材料時，設計者/制造商需要關注最有希望的材料。此步驟完成后，設計者/制造商即可以進行試模。

圖9 材料批準的六步驟

接下來，設計者/制造商采取的步驟應側重于特定應用程序的詳細信息。設計過程可能需要進行一些更改，以符合再生塑料特性的要求。產品架構和零件的設計可能需要更改，以幫助降低回收的復雜性，并增加更多再生材料使用的空間。

成本、可用性、顏色穩定性、批次間穩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案例和產品的技術需求。只有采取這些步驟后，設計者/制造商才有可能走向大型模具試驗、產品組裝，并最終進行產品的批量生產。

觀察與學習原則

插入式方法的第三個支柱是消除六步驟中每一個步驟的特定不確定性。通過創建演示件，設計者/制造商可以證明美學和機械特性以及加工過程中的材料行為。《指南》將這些樣本稱為“演示件”。這些“演示件”展示了真實的信息，可以支持設計者/制造商對正在調查的PCR材料做出決定。通過使用現有模具（不增加模具成本），設計者/制造商可以了解更多關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有產品的零件進行比較。對于原生塑料零件，設計者/制造商通常已經掌握了很多知識，可以作為檢查由再生塑料制成零件的各個方面性能的參考。

創建簡單的形狀可以更好地了解加工性能并確定機械和加工特性。例如，可以從制作拉伸棒（見圖10）開始或進行螺旋流動試驗。這些零件和試驗對于了解更多關于再生塑料的機械性能非常有意義。為了發現材料的美學品質，最好使用帶紋理的簡單曲線形狀。從供應商處生產可用顏色的樣品，這些樣品將為設計者/制造商提供可達到的質量水平的良好指示。

圖10?拉伸桿

創建實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，設計者/制造商即可嘗試塑造更復雜的形狀（見圖11），并進一步了解材料在產品幾何和加工時間更長的生產過程中的穩定性。

圖11 大表面試模示例

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

遵循這一原則意味著設計者/制造商開始建立成功實施循環解決方案所需的關于再生塑料材料的內部知識。

總之，創建演示件為設計者/制造商提供了實施循環設計更廣闊的思路。首先，它有助于確定設計者/制造商為產品選定的再生材料的技術可行性和合意性。其次，設計者/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，將有助于建立一個更完整的再生塑料規范數據庫。第三，這也是設計者/制造商建立完整的工藝內部知識的關鍵方法，以消除現存的認知差距。（中國家用電器協會 萬春暉編譯）（未完待續）