循环增材制造新路径：再生聚乳酸齿轮的全生命周期可持续性评估

《Materials Today Sustainability》：Advancing Circular Additive Manufacturing: Life Cycle Sustainability Assessment of Gears Made from Recycled Polylactic Acid

本文针对传统制造高环境负担和聚乳酸(PLA)废弃物的循环利用难题，研究了消费后回收PLA(rPLA)在熔融长丝制造(FFF)技术中制备齿轮的可行性。研究人员通过力学性能测试和齿轮功能试验评估五种rPLA/vPLA混合比例材料的性能，并采用三重底线框架进行全生命周期可持续性评估。研究发现50:50混合比例(V50:R50)在保持齿轮功能性的同时，实现了最高的综合可持续性得分(-1.35)，其全球变暖潜能和累积能源需求显著降低，为循环经济背景下3D打印材料的可持续发展提供了重要实践依据。

　　

在全球制造业面临资源约束和环境压力的背景下，传统制造过程产生的大量废弃物和温室气体排放日益成为可持续发展的重要挑战。作为应对策略，增材制造(Additive Manufacturing, AM)特别是熔融长丝制造(Fused Filament Fabrication, FFF)技术，因其材料高效性和设计灵活性而受到广泛关注。然而，FFF过程中广泛使用的聚乳酸(Polylactic Acid, PLA)材料虽源自可再生资源，但其生命周期末端(End-of-Life, EoL)管理却面临严峻挑战——尽管PLA在工业堆肥条件下可生物降解，但在普通填埋场中降解极为有限，导致资源浪费和环境污染。

为解决这一问题，研究团队将目光投向了消费后回收PLA(Recycled PLA, rPLA)在FFF技术中的应用潜力。通过将rPLA与原生PLA(Virgin PLA, vPLA)以不同比例混合，系统评估其在功能性齿轮制造中的技术可行性和可持续性表现。该研究发表于《Materials Today Sustainability》期刊，为循环经济理念在增材制造领域的实践提供了重要案例。

研究人员采用了多层次研究方法，首先通过机械回收工艺将消费后PLA废弃物转化为可用长丝，包括分选、清洗、粉碎、干燥和挤出等关键步骤。随后采用FFF技术制备拉伸试样和齿轮试件，通过力学性能测试和齿轮寿命试验评估材料性能。最后运用生命周期可持续性评估(Life Cycle Sustainability Assessment, LCSA)框架，整合环境生命周期评估(Environmental LCA, ELCA)、生命周期成本(Life Cycle Costing, LCC)和社会生命周期评估(Social LCA, SLCA)，全面评价不同混合比例材料的可持续性表现。

4.1. 拉伸性能

力学测试结果显示，随着rPLA含量的增加，材料拉伸性能呈下降趋势。纯vPLA(V100:R0)表现出最优异的力学性能，其极限拉伸强度(Ultimate Tensile Strength, UTS)达到61.12 MPa，而纯rPLA(V0:R100)的UTS仅为29.58 MPa，降低了51.6%。值得注意的是，V50:R50混合材料在保持可接受力学性能(UTS为52.83 MPa)的同时，显著提高了材料利用率，在力学性能与可持续性之间实现了良好平衡。统计分析表明，不同混合比例材料的拉伸强度存在显著差异(p < 0.001)，证实了材料组成对力学性能的实质性影响。

4.2. 服役寿命

齿轮寿命测试结果进一步验证了rPLA混合材料的实用性。纯vPLA齿轮实现了最长的服役寿命，可承受4.50×10⁶次循环(75小时)，而V50:R50混合齿轮的寿命为3.72×10⁶次循环(62小时)，虽略有降低但仍满足多数非关键应用场景需求。高rPLA含量齿轮(V25:R75和V0:R100)的寿命显著缩短，仅能承受约1.5×10⁶次循环，表明其适用于要求较低的应用场合。

4.3. 生命周期可持续性评估

4.3.1. KPI分析

通过关键绩效指标(Key Performance Indicator, KPI)分析发现，rPLA含量增加显著改善了环境绩效。纯rPLA(V0:R100)在全球变暖潜能(Global Warming Potential, GWP)和累积能源需求(Cumulative Energy Demand, CED)方面表现最佳，GWP差距值降至-0.0056，远优于纯vPLA的-0.7597。然而，经济指标显示，高rPLA含量齿轮因预处理成本增加和寿命缩短，导致生命周期成本升高。社会指标方面，rPLA的使用促进了本地就业，但技能培训和质量管理方面存在提升空间。

4.3.2. 综合可持续性分析

综合评估显示，V50:R50混合材料获得了最高的整体可持续性得分(-1.35)，在环境效益、经济可行性和社会接受度之间实现了最优平衡。该材料配置在减少碳足迹的同时，保持了可接受的机械性能和服役寿命，为可持续制造提供了实践方案。

研究结论表明，rPLA在FFF齿轮制造中具有显著的应用潜力，特别是中等混合比例(25%-50% rPLA)材料在可持续性和功能性之间实现了最佳平衡。该研究不仅为PLA废弃物的高值化利用提供了技术路径，还通过LCSA框架为可持续材料选择提供了决策支持。未来研究可聚焦于rPLA质量标准化、工艺优化策略开发以及更广泛工业应用场景的探索，进一步推动增材制造向循环经济模式转型。

值得注意的是，该研究的实际应用仍需考虑特定场景的技术要求和经济约束。对于高负载、高精度齿轮应用，可能需要进一步的材料改性或工艺优化；而对于教育、原型制作等非关键领域，rPLA混合材料已展现出显著的可持续发展优势。这一研究为塑料循环利用和绿色制造提供了重要理论与实践借鉴，对促进制造业可持续发展具有积极意义。