積層造形における持続可能性：機会、課題、評価ツール

この投稿はCoco Bearによって2023-8-28 22:18に最後に編集されました。

はじめに: 積層造形 (AM) は製造業に革命をもたらし、これまでにないレベルのカスタマイズと複雑な設計を可能にしました。しかし、積層造形の台頭に伴い、積層造形の持続可能な開発への注目が重要になってきました。持続可能な開発における付加製造の機会とは何でしょうか?課題は何ですか?以下では、3D プリントにおける持続可能性を包括的に検討し、業界内で持続可能性を評価するための機会、課題、潜在的なツールを探ります。

1. 持続可能な開発における付加製造の機会
AM は、環境、社会、経済の要素を含む持続可能性の「トリプルボトムライン」に貢献することに優れています。この記事では、持続可能性のさまざまな側面を最適化するために積層造形をどのように使用できるかを詳しく説明します。

1. 環境の持続可能性●材料効率: 積層造形の主な利点の 1 つは、材料の無駄を最小限に抑えられることです。従来の製造方法とは異なり、積層造形法では必要な量の材料のみを使用して、オブジェクトを層ごとに構築します。材料の配置を正確に行うことで、無駄が減るだけでなく、コストの節約にもつながります。 BMWなどの企業は、軽量部品の製造に積層造形を採用し、材料を節約して燃費を向上させています。

●エネルギー消費:エネルギー効率は、積層造形の持続可能な開発の基礎です。この技術により、より少ない材料を使用して複雑な形状を製造できるようになり、エネルギーの節約につながります。自動車産業や航空宇宙産業では、エネルギー効率がイノベーションの重要な推進力であり、積層造形により、全体的なエネルギー性能を向上させる非常に複雑な部品の製造が可能になります。 GE Aviation の LEAP エンジンは、燃料消費量を 15% 削減する積層造形技術を使用して製造されています。

●リサイクルと再利用:付加製造材料をリサイクルする方法の革新は、循環型経済を促進することができます。材料の再利用は、積層造形をより持続可能な実践にするための不可欠な要素です。 HP の 3D プリント材料回収プログラムなどのイノベーションは、循環型経済を促進し、ポリマー材料のリサイクルを奨励します。フォードとHPは、3Dプリントの廃棄物を自動車部品にリサイクルするために提携している。さらに、MolyWorks の子会社である Continuum などの企業は、スクラップ金属を 3D プリントの原料に変換する新しいリサイクル技術を開発しており、積層造形プロセスの持続可能性をさらに高めています。

△マリングレードステンレス合金

2. 経済の持続可能性

●コスト効率: 付加製造は、特に小ロットやカスタマイズされた製品の場合、コスト効率の高い生産機会を提供します。これには、ツールコストの削減、人件費の削減、現地での製造の可能性などが含まれます。

●サプライチェーン管理:付加製造は従来のサプライチェーンを変革し、オンデマンド生産とローカライズされた製造を実現する可能性があります。これにより、配送コストが削減され、全体的な二酸化炭素排出量も削減されます。 EOS は、Daimler EvoBus などの企業と協力して、デジタルで持続可能なスペアパーツ管理、長距離輸送ルートをなくすための分散型製造、過剰生産を避けるためのオンデマンド製造を確立しています。

●イノベーションと市場の成長:付加製造技術への投資は、業界全体のイノベーションと成長を促進し、経済の持続可能性をさらに高めることができます。

△OMNIplus社が製造したメルセデス・ベンツバス用の3Dプリントスペアパーツ。

3. 社会の持続可能な開発

●アクセシビリティ:付加製造は、中小企業や個人のイノベーターが製造にアクセスできるようにすることで、製造を民主化します。これは地域の発展を支援し、起業家精神を奨励します。

●教育と労働力の育成:積層造形の成長には熟練した労働力が必要です。付加製造技術に関する教育と訓練は雇用を創出し、社会の持続可能な発展を支えることができます。 Stratasys は、質の高い教育と学習機会への包括的かつ公平なアクセスを確保することに尽力しています。 Stratasys は、「実践による学習」の機会を提供し、学生にテクノロジーの力を与えることで、積層造形分野における社会的持続可能性に貢献しています。

● 倫理と規制:知的財産、労働条件、安全性など、付加製造における責任ある倫理的な慣行を確保することは、社会的に持続可能な開発を達成するために不可欠です。

2. 持続可能な開発における付加製造の課題<br /> 付加製造には多くの利点がありますが、真に持続可能な製造技術となるためにはいくつかの課題にも直面しています。

●材料の制限:現在、積層造形材料の約 50% は再生不可能またはリサイクルが困難です。これにより、循環型経済の原則に障害が生じ、廃棄物管理の問題が発生する可能性があります。より簡単にリサイクルまたは生分解できる新しい材料を開発したり、既存の材料の代替用途を見つけたりすることで、これらの課題が緩和される可能性があります。

●エネルギー集約度:一部の付加製造プロセスでは、従来の製造方法よりも 50 ～ 100% 多くのエネルギーを消費する場合があります。これにより二酸化炭素排出量が増加し、温室効果ガス排出量を削減する世界的な取り組みと矛盾する可能性があります。エネルギー効率の高い技術への投資と再生可能エネルギーの活用は、付加製造を持続可能な開発目標と一致させるための重要な戦略となる可能性があります。

● 規制遵守: さまざまな管轄区域の環境規制への準拠を確保することは複雑でコストがかかる場合があります。異なる、時には矛盾する要件は混乱を生み、イノベーションを妨げる可能性があります。規制を調和させ、明確なガイドラインを提供し、政府、産業界、学界間の連携を促進することで、これらの課題を緩和できる可能性があります。 ASTM の規制遵守に関する取り組みは、3D プリント製品の標準化、認定、認証に重点を置いています。

● 標準化されたツールの欠如:確立されたガイドラインがなければ、AM 持続可能性測定ツールをカスタマイズすることは困難です。標準化された方法とツールが不足すると、測定と評価に一貫性がなくなる可能性があります。標準化されたツール、ガイダンス、ベストプラクティスを共同で開発することで、業界全体の一貫性と比較可能性が向上します。 AMPOWER サステナビリティ計算機は、積層造形におけるさまざまな合金と技術の組み合わせのエネルギー消費量と CO2 排出量を計算するために開発されたツールの 1 つであり、サステナビリティ測定の標準化されたアプローチを提供します。

● 技術のアクセシビリティ: AM はローカライズされた製造機会を提供しますが、必要な初期投資と専門知識が中小企業 (SME) にとって障壁となる可能性があります。教育、トレーニング、資金調達へのアクセスを容易にすることで、AM のより広範な導入をサポートし、イノベーションと経済の持続可能性を促進することができます。

これらの課題を認識して対処することで、業界は 3D プリンティングにおいてより責任ある持続可能な実践へと移行することができます。積層造形のより持続可能な未来を実現するには、すべての関係者の共同の取り組みが不可欠です。

3. 3Dプリントの持続可能性の評価

積層造形の持続可能な開発を推進するには、次の理由から正確な測定ツールが必要です。

●総合的な評価: これらのツールは、環境、経済、社会への影響を包括的に評価します。

●反復的な改善: 継続的な持続可能な改善をサポートし、ベンチマークを設定し、戦略を導きます。

●データに基づく意思決定: 材料から運用まで、情報に基づいた選択は正確な指標に基づいて行われます。

●規制調整: コンプライアンスの確保に加えて、これらのツールは利害関係者との透明性の高いコミュニケーションを促進します。

●評判の向上: 透明性への取り組みにより、信頼が高まり、企業は市場で有利な立場に立つことができます。

●グローバル目標の相乗効果: ツールは AM の実践を、国連の持続可能な開発目標などのより大きなフレームワークと連携させます。

●イノベーションの触媒: 新素材/新プロセスの探索を促進し、競争上の優位性を提供します。

●持続可能性測定ツールは、運用上の必要性だけでなく、課題に対処し、さまざまな機会を実現するための戦略的必要性でもあります。これらのツールは、組織が付加製造を活用して情報に基づいた意思決定を行い、イノベーションを促進し、コンプライアンスを確保し、信頼を構築し、より広範な社会的目標に貢献できるようにガイドします。

1. ライフサイクルアセスメント（LCA）
LCA は、材料調達、製造、使用、廃棄など、製品のライフサイクル全体にわたる環境への影響を分析するために使用されます。

●方法論: エネルギーと材料の投入、排出量、廃棄物の発生などに関するデータ収集が含まれます。その後、データは気候変動、オゾン層の破壊、水の消費などの環境影響カテゴリーにマッピングされました。

●ツール: SimaPro や OpenLCA などのソフトウェアは、特定のプロセスの詳細な分析を可能にする専用の AM モジュールを提供します。

●例: YOU MAWO および Fraunhofer EMI と共同で実施したライフサイクル分析 (LCA) 調査では、EOS 3D プリントグラスは従来の製造方法に比べて持続可能な炭素フットプリントが 58% 高く、廃棄物が 80% 少ないことが判明しました。

●課題と解決策: 正確なデータ収集を確実に行うことは困難な場合があるため、方法を標準化し、業界固有のデータベースを活用することで信頼性を向上させることができます。

△出典：AMGTA「2つの製造方法による低圧タービン（LPT）ブラケットのLCA比較」

2. マテリアルフロー分析（MFA）
MFA は、付加製造プロセスを通じて材料を定量的に追跡し、非効率性と無駄の領域を特定します。

●方法論: 生産のさまざまな段階を通じて特定の材料の流れを追跡し、損失と非効率性を特定し、上流と下流でそれらを分析して改善のための推奨事項を作成します。

●ツール: STAN などのソフトウェアは、積層造形向けにカスタマイズされた視覚化およびモデリング機能を提供します。

●例: 「付加製造を使用した固定ブレーキキャリパーの設計と分析」（2023）というタイトルの研究で、Gautam Kulkarni はフォーミュラ学生レースカーのプロトタイプのフロントブレーキキャリパーの設計と評価について説明しています。この研究では、材料フロー分析を利用して、付加製造法によるブレーキキャリパーの製造に関わる材料フローと製造プロセスを理解する可能性があります。

●課題と解決策: 詳細と実現可能性のバランスをとることが重要であるため、主要な材料や段階に焦点を当てたモジュール式のアプローチにより、プロセスを合理化できます。

3. 持続可能なバリューストリームマッピング（SVSM）

SVSM は、製造プロセス全体にわたる材料と情報の流れをマッピングし、持続可能性指標を強調表示する視覚化ツールです。

●アプローチ: 従来のバリューストリームマッピングを拡張して環境および社会指標を含め、積層造形の持続可能性に関するより包括的な視点を提供します。

●ツール: リーン製造の原則に関するワークショップやトレーニングは、SVSM を AM 運用に組み込むのに役立ちます。

●例: Fikile Poswa 他による「シミュレーションバリューストリームマッピングを使用した生産性の向上: トラック製造業界のケーススタディ」(2022 年)と題された研究。トラック製造業界における SVSM の応用について説明します。この調査では、シミュレートされたバリューストリームマッピングを使用して、主要なワークステーションにおける付加価値のない時間を特定し、それを排除するソリューションを提案した結果、生産性が 4% 向上しました。この研究は、生産性と効率性を向上させるために製造環境で SVSM を実際に適用することを示しています。

●課題と解決策: 持続可能性指標を統合するには専門知識が必要であるため、持続可能性の専門家と協力することでプロセスを強化できます。

4. 環境効率指標<br /> これらの指標は、生み出された経済的価値と環境への影響の比率を示し、持続可能性を簡潔に測定します。

●方法論: これらの指標は、経済パフォーマンスと環境への影響の両方を定量化することで、AM の持続可能性をバランスよく評価することを可能にします。

●ツール: WBCSD などの組織からのガイドラインでは、業界固有のアプリケーションが提供されています。

●例: N. Vidakis らによる「MEX および VPP 添加剤製造におけるバイオチャールフィラー: ポリ乳酸および標準グレード樹脂マトリックスの特性評価と強化効果」(2023 年) と題する研究。環境に優しいバイオ炭を積層造形用の強化材料として使用する効率を調査しました。この研究では、AM プロセスでバイオ炭を使用する際の環境的および経済的側面を評価するために、環境効率指標を利用する可能性があります。

●課題と解決策: 適切な指標の選択は、より広範な持続可能な開発目標と整合させる必要があるため、関係者との一貫したコミュニケーションによってプロセス全体を導くことができます。

5. 社会ライフサイクルアセスメント（SLCA）

SLCA は、環境への配慮に加えて、製品のライフサイクルの社会的影響も分析します。

●方法論: 労働者の権利、コミュニティの関与、社会の発展などの要素を評価し、AM の持続可能性に人間的側面を加えます。

●ツール: UNEP/SETAC ガイドラインは、積層造形を含むさまざまな産業環境で SLCA を実装するためのフレームワークを提供します。

●例: H. Jayawardane らによる「リサイクルプラスチックの付加製造:「技術的環境効率」の評価」(2023) と題された研究。 3D プリントと原材料のリサイクルの社会的影響について検討します。この研究では、SLCA を使用して、リサイクル PLA を積層造形に使用することによる社会的影響を評価しました。

●課題と解決策: 社会指標は主観的になる可能性があるため、確立されたフレームワークを適用し、関係者と連携することで、関連性と正確性を確保できます。

6. AM Powerの持続可能性測定ツール

プロセスチェーン全体を考慮すると、積層造形におけるさまざまな合金と技術の組み合わせのエネルギー消費量と CO2 排出量を計算できます。

●方法: すべてのプロセスステップと材料のリサイクルを考慮した詳細なプロセスモデルを使用して、エネルギー消費を計算し、CO2排出量に変換します。

●ツール: AMPOWER サステナビリティ計算機

●課題と解決策: さまざまな要素を考慮したカスタマイズされたアプローチが必要です。

△出典：AMPOWER

結論付加製造は技術革新の最前線にあり、カスタマイズ、効率性、持続可能性の豊富な機会を提供します。完全に持続可能な付加製造への道は困難ですが、業界のリーダー、政府、研究者、イノベーターが協力して取り組んでいます。 Additive Manufacturing Global Trade Association (AMGTA) は、研究を通じて付加製造の環境的利点を促進し、持続可能な開発を促進することを目的とした非営利団体です。急速に進化する世界では、持続可能性を付加製造に統合することは避けられないトレンドです。課題を認識して対処し、機会を受け入れ、包括的な評価ツールを活用することで、積層造形コミュニティは持続可能な開発の分野で新たなブレークスルーを実現できます。

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