论文标题：Circularity: Understanding the Environmental Tradeoffs of Additive Manufacturing with Waste Plastics

论文链接：https://www.mdpi.com/2313-4321/9/5/72

期刊名：Recycling

期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/recycling

研究背景

塑料废物日益成为严峻的环境挑战。全球塑料回收率仅9%，其中22%的塑料废物被不当处理，进入陆地或海洋环境。2018年，美国仅消费后塑料废物就超过3500万吨，其中75%被填埋。自2018年起，中国禁止进口非工业塑料废物，预计到2030年全球将有约1.11亿吨塑料废物被转移，亟需发展本土回收解决方案。增材制造（3D打印）提供了一种新颖的解决方案，可将废塑料机械升级回收。与传统制造相比，增材制造可实现按需、现场、定制化生产，尤其适合小批量生产。分布式回收结合增材制造，可在废物产生地附近进行升级回收，减少运输和储存成本。

本文探讨了利用废塑料进行熔融颗粒制造 (FGF) 的增材制造（即 3D 打印）与传统熔融沉积成型 (FFF) 和注塑成型 (IM) 相比的排放权衡。本文采用生命周期评价 (LCA) 方法，从排放和环境角度探讨了在FGF地区用本地废塑料替代现有生产工艺的可行性。

图形摘要

研究过程

本研究采用生命周期评估（LCA）方法，比较了三种制造方法的排放权衡：传统熔融丝制造（FFF）、熔融颗粒制造（FGF）和注塑成型（IM）。FGF直接从颗粒或粒状回收塑料打印，无需预先制成丝材，节省了预处理成本和能耗。功能单元设定为一个重8.7公斤的小塑料凳，FFF和FGF使用PETG材料（实际数据库中采用PET替代），IM使用尼龙6。研究考虑了六种不同情景，以评估不同运输、材料输入和电力组合的影响。基准情景中，传统FFF采用国内运输和原生材料；FGF基准情景假定废塑料与打印共址（无运输）；其他情景分别考察了国际运输、回收材料使用、以及废塑料需短途运输等情况。

研究结果

排放总量排名：使用废塑料的FGF气候影响最低，每功能单元仅排放约37 kg CO?当量，比传统FFF（约207 kg）降低82.1%，比注塑成型（约125 kg）降低70.6%。即使FGF需要短途运输废塑料，其排放仍远低于所有FFF情景和注塑成型。

运输：传统FFF的排放中运输占比最大，源于大量使用轻型卡车；国际运输情景虽距离更长，但主要依赖海运（排放强度低），总排放反而低于纯国内卡车运输。

材料输入：注塑成型(IM)的排放中材料输入（尼龙6）贡献最大（68%）；传统FFF中材料输入占18%；FGF因使用废塑料，材料输入排放为零。

包装：FGF因材料与打印共址，无需包装，排放为零；传统FFF的包装排放高于注塑成型。

电力：电力是FGF最大的排放源，但随电网脱碳，其生命周期排放可趋近于零。注塑成型的电力消耗也较大（用于钢材、模具和机器运行）。

研究结论

使用废塑料的熔融颗粒制造（FGF）具有最低的温室气体排放潜力，其排放量不到传统FFF的五分之一，不到使用回收丝材的FFF（最佳传统情景）的三分之一。FGF的低排放主要归功于：本地运输、二次利用材料（废塑料）、无需包装。废塑料可在本地获取（如塑料瓶、容器等），直接用于干燥、造粒和打印，无需预处理或包装，由于这种塑料被赋予了第二次生命，其材料投入所蕴含的能量不会造成总体排放。本研究结果挑战了以往认为桌面回收3D打印不太可能带来净环境效益的观点，证明了在FGF系统中分布式回收可显著降低碳排放，有助于推动循环塑料经济。

已发现的局限性包括增材制造产品系统对质量的依赖性、某些材料的替代、尼龙相比PET更高的隐含能量，以及未计入机器制造和维护相关的排放，未来需收集更多原始数据以进一步完善分析。

Recycling 期刊介绍

主编：Michele John, Curtin University, Australia

期刊发表资源回收、再利用、废弃物管理与循环经济等相关领域的原始性、首创性成果，主题涵盖工业资源回收的创新工艺、工具与方法学，废弃物处理技术，循环经济，零废弃项目实践，回收利用相关政策，回收经济学，回收过程的环境与社会影响，以及产品 (生态) 设计与回收等方向。目前已被ESCI (Web of Science)、Scopus、FSTA、DOAJ等数据库收录。