지속 가능한 제조를 위한 전략적 자재 선택 가이드

이지 데 라 과르디아(Izzy de la Guardia), 수석 설계 및 개발 엔지니어, 캐슬린 볼리토(Kathleen Bollito), 고객 애플리케이션 엔지니어

지속 가능한 부품 생산을 위한 여정은 지속 가능한 설계나 공급망 관행에서 끝나지 않습니다. 일부 자재가 다른 자재보다 더 친환경적이기 때문에, 신중한 자재 선택은 제조를 더 지속 가능하게 만드는 데 큰 역할을 합니다. 기업의 환경 영향을 줄이는 것 외에도, 지속 가능한 자재 사용은 친환경 기업으로서의 평판을 구축하는 데 도움이 됩니다. 또한 소비자는 환경에 책임 있는 기업을 더 기꺼이 지지합니다.

많은 금속은 품질 저하 없이 반복적으로 재활용할 수 있지만, 플라스틱은 그렇지 않습니다. 플라스틱의 91%는 재활용되지 않으며, 대부분 매립지로 갑니다. 개선의 여지가 크므로, 지속 가능한 제조 시리즈의 첫 번째 편에서는 플라스틱을 이용한 지속 가능한 제조의 자재 고려 사항에 초점을 맞춥니다. 조달, 사용, 폐기 단계에서 환경 비용이 더 낮은 자재를 선택할 기회가 있습니다.

자재의 지속 가능한 조달

부품을 더 지속 가능하게 만들려면 자재 조달처를 살펴보는 것부터 시작하세요. 먼저 재생 가능 자원에서 조달한 자재를 쓸지, 비재생 가능 자원에서 조달한 자재를 쓸지 결정해야 합니다.

재생 가능 자원 vs 비재생 가능 자원

재생 가능 자원은 고갈된 양을 대체할 수 있도록 보충되는 천연 자원입니다. 때로는 자연적인 생산으로 보충되지만, 때로는 인간의 노력이 필요하기도 합니다. 예를 들어 나무는 천연 재생 가능 자원입니다. 하지만 나무가 자라는 속도보다 빨리 베어내면 새로운 씨앗과 묘목을 심어야 합니다.

비재생 가능 자원은 한정되어 있습니다. 한번 고갈되면 영원히 사라집니다. 많은 비재생 가능 자원의 매장량이 줄어들고 있으며, 상당수가 조만간 고갈될 전망입니다. 예를 들어 현재 석유 채굴 속도를 유지하면 40~50년 안에 전 세계 석유 매장량이 고갈될 것이라는 추정이 지배적입니다.

천연 자원 고갈을 줄이려면 가능한 한 재생 가능 자원을 사용해야 합니다. 플라스틱 분야에서는 석유 기반 플라스틱(페트로플라스틱) 대신 바이오플라스틱을 사용하는 것을 의미합니다. 페트로플라스틱은 비재생 가능한 원유에서 생산되지만, 바이오플라스틱은 재생 가능한 바이오매스 자재나 천연 부산물에서 부분적 또는 완전히 유래하며 화석 연료 기반 제품보다 더 친환경적입니다. 바이오플라스틱의 일반적인 원료로는 짚, 톱밥, 옥수수 전분, 우드칩, 식물성 오일과 지방 등이 있습니다.

바이오 기반 플라스틱이 생분해된다고 생각할 수 있지만, 항상 그런 것은 아닙니다. 예를 들어 '드롭인 바이오플라스틱'인 바이오-PET은 화학적으로 화석 연료 버전과 동일하며 단지 바이오매스에서 유래했을 뿐이므로 생분해되지 않고 재활용만 가능합니다. 재생 가능 자원 기반이든 비재생 가능 자원 기반이든, 재활용 함량이 높은 플라스틱을 사용하면 버진 소재의 필요성을 줄이고 생산을 더 지속 가능하게 만들 수 있습니다.

재활용 자재

재활용 자재로 제조하면 원자재의 수명이 연장되어 버진 소재 조달량이 줄어듭니다. 이는 자재 비용 절감에 도움이 될 뿐만 아니라 제품의 전반적인 지속 가능성 개선에 크게 기여합니다. 버진 플라스틱 대신 재활용 플라스틱을 사용해 1톤의 제품을 생산하면 이산화탄소 1.6톤의 배출을 막고 석유 5배럴을 절약할 수 있습니다.

금속은 재활용해도 성능이 저하되지 않지만, 많은 플라스틱은 쉽게 재활용되지 않거나 몇 번 재활용하면 물리적 특성이 크게 저하됩니다. 많은 경우 허용 가능한 물성을 유지하기 위해 재활용 플라스틱과 버진 플라스틱을 혼합해 사용합니다. 제조에 사용되는 대표적인 재활용 함유 플라스틱으로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)이 있습니다.

제품의 수명 주기 종료 시점 이해하기

자재 조달처뿐만 아니라 제품 수명이 다했을 때 어떤 일이 벌어질지도 고려해야 합니다. 화학적 구성에 따라 자재는 생분해성, 퇴비화 가능, 재활용 가능, 이 세 가지의 조합(또는 해당 없음)일 수 있으므로, 자재 평가 시 그 차이를 이해하는 것이 중요합니다.

생분해성 플라스틱 vs 퇴비화 가능 플라스틱

자주 혼용되지만, 퇴비화 가능성과 생분해성은 다릅니다. 모든 퇴비화 가능 플라스틱은 생분해되지만, 모든 생분해성 플라스틱이 퇴비화 가능한 것은 아닙니다. 열가소성 전분 기반 플라스틱(TPS), 폴리부틸렌 석시네이트(PBS), 폴리카프롤락톤(PCL) 같은 퇴비화 가능 플라스틱은 토양을 비옥하게 하는 유기 원소와 영양분으로 분해됩니다. 생분해성 플라스틱은 환경을 해치지 않고 자연적으로 분해되지만, 반드시 유기 원소로 분해되는 것은 아닙니다.

생분해성 플라스틱은 산화 생분해성(산화로 분해되는 플라스틱)과 가수분해 생분해성(가수분해로 분해되는 플라스틱) 두 그룹으로 나뉩니다. 가수분해 생분해성 플라스틱이 산화 생분해성 플라스틱보다 더 빨리 분해되지만, 보통 산업 퇴비화 시설에서 처리해야 합니다. 산화 생분해성 플라스틱은 가수분해 생분해성 플라스틱보다 저렴하고 가공이 쉽고 기계적 특성이 더 좋습니다.

모든 퇴비화 제품이 동일하게 만들어지는 것도 아닙니다. 가정용 퇴비화 제품은 일반 가정이나 뒷마당 퇴비 더미의 조건과 온도에서 생분해됩니다. 하지만 산업용 퇴비화 플라스틱은 보통 지속적인 고온, 탄소·질소 풍부 자재의 존재, 더 많은 공기 공급 등이 있어야 합리적인 시간 내에 분해됩니다.

예를 들어 폴리락트산(PLA)은 136도 이상의 온도에서만 분해되므로 산업 퇴비화가 필요합니다. 반면 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)는 가정에서도 분해될 수 있습니다. 따라서 PHA는 더 비싸고 생산에 더 많은 에너지가 들지만, 최종 사용자의 폐기 처분에 의존하지 않고 올바른 퇴비화 시설로 갈 확률이 더 높습니다. 산업용 퇴비화 플라스틱을 선택한다면 올바른 폐기를 유도하는 방법을 고려해야 합니다. 명확한 라벨링이나 회수 프로그램을 검토해 보세요.

재활용 자재

생분해성 옵션을 조달할 수 없다면 차선책은 재활용 가능 플라스틱입니다. 일반적으로 열가소성 플라스틱은 열경화성 플라스틱보다 재활용이 훨씬 쉽습니다. 녹여서 재성형할 수 있기 때문입니다.

가장 일반적으로 재활용되는 플라스틱에는 재활용 번호가 부여되어 소비자에게 플라스틱의 종류와 재활용 가능성을 알려줍니다. 번호가 낮을수록 재활용이 쉽습니다. 대표적인 재활용 가능 플라스틱은 다음과 같습니다.

1. PET 또는 PETE — 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 가벼우며 재활용이 쉽고 포장재, 물병, 의류, 충전재, 로프 등에 널리 쓰입니다.
2. HDPE — 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 내화학성이 뛰어나고 재활용이 용이한 플라스틱입니다.
3. PVC 또는 V — 폴리염화비닐(PVC)은 중간 정도의 재활용이 가능한 경질 열가소성 플라스틱입니다.
4. LDPE — 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 중간 정도의 재활용이 가능합니다.
5. PP — 폴리프로필렌(PP)은 강하고 내화학성이 있으며 재활용 가능합니다.
6. PS — 폴리스티렌(PS)은 중간 정도의 재활용이 가능합니다.
7. 기타 — 7번 플라스틱은 재활용 불가능합니다.

제품에 적절한 재활용 번호를 표시하면 최종 사용자가 어떤 플라스틱이 재활용 가능한지, 어떻게 폐기해야 하는지 이해할 수 있습니다. 재활용 번호는 제품 자체에 표시해야 합니다(CNC 가공이나 레이저 각인으로 텍스트를 새기거나). 또는 태그나 사용 설명서 등 다른 방식으로 소비자에게 전달할 수도 있습니다. 대부분의 지자체 재활용 프로그램은 낮은 번호의 플라스틱을 수거하지만, 일부 도시에서는 높은 번호의 플라스틱을 수거하지 않아 특별 프로그램을 통해 재활용해야 합니다.

명확한 라벨링 외에도 회수 프로그램을 마련해 자재 수명을 연장할 수 있습니다. 우편 반송 재활용 프로그램, 보상 판매 프로그램, 무료 수거 장소 운영 등을 고려해 보세요.

적층 제조에서의 지속 가능성

더 지속 가능한 3D 프린팅 자재를 찾고 있다면 몇 가지 옵션을 고려해 볼 수 있습니다. 융합 증착 모델링(FDM) 기술을 사용할 때 재활용 또는 바이오 기반 플라스틱 필라멘트(굴과 밀 기반 프랑코필 필라멘트 등)나 분쇄된 플라스틱 칩을 직접 녹이는 펠릿 기반 압출기를 탐색할 수 있습니다.

또한 HP 멀티 제트 퓨전 같은 생산 시스템은 빌드에서 나온 여분 파우더의 대부분을 버진 파우더와 혼합해 미래 프로젝트에 재사용할 수 있도록 하여 환경 발자국을 최소화하고 있습니다. 회수되지 않은 파우더와 스크랩 부품을 재활용해 사출 성형용 소재를 만들기도 하는데, 이 포드 자동차 부품들이 그 예입니다.

적층 제조의 지속 가능성 측면에서 아직 갈 길이 멀지만, 많은 기업이 혁신과 지속 가능성 개선을 위해 노력하고 있습니다. 조류와 해초 기반 필라멘트, 콩 기반 필라소이(FilaSoy) 같은 새로운 지속 가능한 자재도 끊임없이 개발되고 있습니다. 포러스트(Forust)는 폐목재와 바이오 기반 리그닌을 사용해 목재를 3D 프린팅합니다. 귀사의 애플리케이션에 맞는 상용 옵션이 무엇인지 조사하고, 자재 공급업체에 지속 가능성 측면에서 어떤 진전을 이루고 있는지 문의해 볼 가치가 있습니다.

사출 성형 및 우레탄 캐스팅에서의 지속 가능성

사출 성형과 우레탄 캐스팅에서 폐기물을 줄이는 인기 있는 옵션으로는 재활용 함유 자재 사용이나 재분쇄(사출 성형 공정에서 나온 스크랩을 다시 투입)가 있습니다. 또한 사용 중인 플라스틱의 바이오 기반 대안이 있는지 조사해 볼 만합니다. 예를 들어 사탕수수에서 만든 바이오-PET 또는 PE, 옥수수에서 만든 바이오-PC 등이 있습니다. 헴프, 코코넛 껍질, 쌀겨, 조류 같은 지속 가능한 충전재를 선택할 수도 있지만, 부품의 재활용성에 부정적인 영향을 주지 않는지 확인해야 합니다.

친환경 자재 사용의 주요 과제

친환경 자재는 환경에 더 좋지만, 사용에는 어려움이 따릅니다. 재활용 플라스틱을 예로 들어 보겠습니다. 버진 플라스틱보다 분자 구조가 약해 파손되기 쉽습니다. 내화학성, 내충격성, 내열성도 떨어질 수 있어, 버진 플라스틱 제품보다 빨리 교체해야 할 수도 있습니다. 많은 경우 바이오 기반 대안이 일반적인 석유 기반 제품보다 비쌉니다. 또한 상업적으로 이용 가능한 지속 가능한 옵션이 일반적으로 적기 때문에, 이 분야의 혁신을 지속적으로 추진하고 자재 공급업체에 덜 유해한 자재 개발과 공급을 압박하는 것이 중요합니다.

패스트 래디우스(Fast Radius)와 함께 지속 가능한 자재 선택하기

다음 프로젝트의 자재를 선택할 때 고려할 사항이 많습니다. 특히 지속 가능성 측면에서는 더욱 그렇습니다. 요즘은 제조에 사용되는 지속 가능한 자재가 많지만, 생분해성, 퇴비화 가능, 재활용 가능 중 무엇이 필요한지, 아니면 전혀 다른 것이 필요한지 판단하기 어려울 수 있습니다. 숙련된 제조 파트너가 도움이 될 수 있습니다.

패스트 래디우스와 파트너십을 맺으면 전문가 팀이 자재 선택 과정을 안내해 귀사의 프로젝트에 최적의 결정을 내릴 수 있도록 돕습니다. 지금 문의해 시작해 보세요. 패스트 래디우스 팀의 더 많은 지속 가능성 모범 사례도 기대해 주세요.