グリーン、環境に優しく、汚染がない？間違っている！ 3Dプリントはあなたが思っているほど良くない

この記事はイェール大学の産業生態学ジャーナルからのもので、Holmes Wang 氏が翻訳し、Lieyun.com で公開されました。

過去 10 年間、3D プリンティングは一般の人々、エンジニア、環境問題に関心を持つ人々の想像力をかき立ててきました。これは製造業における革命であり、環境を劇的に改善する機会であると歓迎されている。

3D プリンティングには、愛好家が「グリーン」テクノロジーと呼ぶに至った 2 つの重要な特性があります。まず、多くの 3D 印刷システムは、射出成形、鋳造、スタンピング、切断などの従来の製造技術とは異なり、廃棄物をほとんど生成しません。第二に、家庭、店舗、コミュニティセンターにある 3D プリンターでは、デジタル設計を使用してその場で製品を製造できるため、製品をエンドユーザーに輸送する必要性が減ります。

しかし、3D プリントの環境性能の定量的な分析には限界があります。そのほとんどは、生産プロセスで使用されるエネルギーのみに焦点を当てており、原材料の生産、製品自体の使用、廃棄物管理の影響は含まれていません。このギャップを埋めるために、私たちは Yale Journal of Industrial Ecology の特別版を企画しました。環境を大幅に改善できる可能性に対する興奮を抑えるには、その技術がどのように実装されるか、そして現在どのような状況にあるかを理解する必要があることがわかりました。

主に産業用

3D プリンターを見たことがあるほとんどの消費者は、それをインクジェットに似た小さな箱型の機械として知っています。これらのシステムは、ドアストッパー、ボトルオープナー、ショッピングバッグのハンドルなどのシンプルな製品を製造でき、多くの場合、単一の材料から作られています。

実際、3D プリンティングは、主に産業界で使用されている一連の技術であり、付加製造として知られています。これらのシステムは、素材の層を連続的に追加することで、デジタル情報に基づいてオブジェクトを生成します。これらの品目はさらに加工され、ジェットエンジン部品、補聴器、医療用インプラント、産業機器用のさまざまな種類の複雑な部品などの製品に組み立てられます。したがって、付加製造は従来の製造プロセスを補完するものであり、それらを置き換えるものではありません。

業界では何十年もの間、製品設計や生産計画のためのプロトタイプを作成するために積層造形法が使用されてきました。今日では、これらの技術はより成熟し、最終用途の部品や製品の製造に使用されています。

付加製造は、従来の製造方法では時間と費用のかかる生産設備の準備が必要になることが多いため、カスタム部品や複雑なオブジェクトの小ロット生産を低コストで実現するのに特に役立ちます。

需要に応じてゴミを生産しますか?

新たな研究を調査した結果、積層造形は必ずしも環境に良いわけではないことが分かりました。この方法で製造された部品は、正しいサイズや外観にするために追加の機械加工が必要になることがよくあります。これにより、リソースが消費されたり、さらなる環境への影響が生じる可能性があります。

私たちがレビューした研究のほとんどでは、積層製造装置の構成、動作設定、および追加される層の厚さなどの処理の詳細に関する選択が、全体的な環境パフォーマンスに大きな影響を与えることが示されました。科学者たちはまた、付加製造機械の使用中に生じる微細なプラスチック粒子への曝露による排出物や安全性の懸念についても調査を始めている。

重要なのは、付加製造は本質的に無駄のないプロセスではないということです。たとえば、一部の技術では、物体が形作られる際に歪んだり崩れたりするのを防ぐために、製造中に一時的なサポート構造を使用する必要があります。これらのサポートは必ずしも原材料に再加工できるとは限りません。また、積層造形で製造された部品に使用されるプラスチック、金属、または混合材料がリサイクル可能かどうかも考慮する必要があります。

もう一つの懸念は、オンデマンド生産と際限のないカスタマイズにより、使い捨ての消費財、あるいは一部の批評家が「ジャンク」と呼ぶものが劇的に増加する可能性があることだ。さまざまな色やデザインの靴、コスチュームジュエリー、家庭用家具を需要に応じて生産することで、「ファストファッション」をまったく新しいレベルに引き上げることができるかもしれません。

環境上の利益の実現
同時に、分散化されたカスタマイズされた生産は、興味深い環境的機会です。これは、遠く離れた場所で一括生産して大量に出荷・保管するのではなく、地元の工場、あるいは自宅で商品を生産し、必要な特定の製品のみを作るというビジョンから生まれました。
しかし、現在この方法で製造できる製品のほとんどは、エントリーレベルの 3D プリンターで製造できるほどシンプルで、通常は単一の材料から作られています。さらに、積層造形用の原材料を加工するには、従来の製造技術を使用して最終製品を製造し、エンドユーザーに出荷するよりも多くのエネルギーを消費します。
付加製造によって製造された部品は、製品寿命を延ばす可能性を秘めていますが、エネルギー効率の低い古い機器をより長く使用できるようになる可能性もあります。これが一般的な選択肢になるためには、一部の部品を積層造形で製造できるように特別に設計する必要があります。
しかし、この点に関しては知的財産の問題が大きな課題となる可能性があります。 3D プリンターのユーザーには、元の製造元が作成した設計から部品や製品を製造する法的権利がない場合があります。これらのメーカーは、そのような設計の使用を許可することが自社の経済的利益になるとは考えていない可能性があります。 3D プリンターのユーザーは、たとえば古い車の部品を製造したい場合がありますが、自動車メーカーはそれらの部品の設計を共有したくない場合があります。
付加製造は、重量を軽減し、燃料消費量と温室効果ガスの排出を削減できる特殊な航空機部品など、非常に複雑な形状と内部空間を持つ物体を生産する可能性があります。多くの研究者は、このような複雑な部品を製造する能力と、その結果としてのエネルギー効率の向上が、積層造形から最大の環境上の利益をもたらす可能性があると考えています。
将来の機会
付加製造は、少量の特殊な部品や製品を生産するのに非常に効果的です。現時点では、その潜在的な環境的利点は、需要に応じて部品を製造すること、特に製品使用時のエネルギー消費を削減する特殊部品を製造することにあります。テクノロジーが進歩し続けると、他の利点も実現される可能性があります。
この技術は環境に良いと主張する人もいますが、これらのシステムは環境上の利点を考慮して設計されたものではないことを認識することが重要です。一部の 3D プリントアプリケーションは環境要件を満たさない可能性がありますが、まだ実現されていない改善の機会は数多くあります。最初のステップは、3D プリント材料の製造による環境への影響、3D 製品の使用方法、およびそれらが生成する廃棄物についてさらに調査を行うことです。

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