プラスチック3Dプリントの持続可能性の課題と将来の展望

この投稿は warrior bear によって 2022-9-5 20:43 に最後に編集されました。

世界中で、政府、企業、消費者、世論は、製造、天然資源の利用、経済、生活水準などにおける持続可能性を向上させる必要性について合意に達しています。持続可能性を促進するプラスチックは SP と呼ばれ、付加製造に使用される持続可能なプラスチックは、より持続可能なプラスチック製造への移行も加速させます。
△世界最大のポリ乳酸（PLA）メーカー、ネイチャーワークス社のIngeoポリマーを使用して3DプリントされたPLAの画像。
プラスチックはポリマーと添加剤の混合物から作られた材料です。ポリマーは、特定の分子の長い鎖で構成された人工または天然の化合物です。持続可能なプラスチック（SP）は、本質的にはバイオベースのプラスチックであり、原油や天然ガスなどの化石資源ではなく、植物や動物（副産物や有機残留物を除く）などの再生可能な資源から配合されたプラスチックです。 SP にも長所と短所があります。 SP は化石由来のプラスチックに比べて、原油価格の変動の影響を受けず、軽量で価格が安く、農家の収入源となり、作物（エンドウ豆、インゲン豆、ひよこ豆など）の残渣や廃棄物をリサイクルできるなどの利点があります。
しかし、SP には、製造コストが高い、処理可能な範囲が狭い、食品との競合が発生する可能性がある、脆い、すべての SP が生分解性ではないなど、いくつかの欠点もあります。その他の欠点としては、(a) 分解性が低い、または分解しないバイオプラスチックは、高温で、または自治体の消化槽や堆肥化装置で処理した場合にのみ分解できること、(b) 生分解性プラスチックは、特定の条件下でのみ埋め立て地で分解できること、(c) 堆肥化中の分解によりメタンガスが発生し、これは二酸化炭素よりも何倍も強力で、地球温暖化の一因となることなどが挙げられます。
結論として、SP はプラスチックによって引き起こされる環境問題をすべて解決できるわけではありませんが、化石ベースのプラスチックに比べると大きな改善となります。
持続可能なプラスチック
2020 年の SP の市場セグメントは、繊維および包装 (同率)、自動車および輸送、建築および建設、消費財およびその他の産業 (付加製造、3D 印刷、フィルム、医療、養殖を含む)、および (3%) 農業および園芸、電気および電子、機能 (接着剤、コーティング、化粧品) です。
SPは世界で消費されるプラスチックのごく一部を占めるに過ぎず、2019年の390万トンのうちわずか1％に過ぎません。しかし、再生可能炭素に焦点を当てたドイツの研究機関であるノヴァ研究所によると、SPの生産量は、2019年の約425万トンから2024年に約480万トンに増加すると予想されています。2020年のバイオベースポリマーは、降順で、グリセロール、デンプン、砂糖、非食用植物油、セルロース、食用植物油から生成されました。
付加製造のための持続可能なプラスチック<br /> SP は原材料として、さまざまな製造プロセスや試作プロセスに適用されていますが、その中で最もよく知られているのは積層造形 (AM) または 3D プリンティングです。積層造形プロセスの基本的な特徴は、あらゆる物体の製造が CAD ベースの 3 次元コンピュータモデルから始まり、最終的には材料を何層にも重ねて製造されることです。最も一般的なプラスチック 3D 印刷プロセスは、バット光重合、粉末床溶融、材料押し出しの 3 つのグループに分類されます。これらのシリーズのプラスチックは、液体、粉末、フィラメントの形で入手できます。
現在、3D プリントの原料には、充填済みおよび充填されていない SP の商用グレードのほか、より実験的なグレードの SP や、セルロースや天然繊維などのバイオベースの成分が充填された化石ベースのプラスチックが含まれています。
一部の従来のプロセスと比較すると、付加製造は特定の条件下で使用した場合、より持続可能になります。たとえば、3D プリントを金属鋳造やプラスチック射出成形と比較し、設計開発時や限られた数の部品の製造時に使用する場合、3D プリントはより持続可能であり、つまり、金型を必要としないため、全体的なリソースが少なくて済みます。したがって、3D プリントと SP を組み合わせることで、持続可能性は明らかに向上します。
付加製造用の商業用持続可能なプラスチック<br /> 表 1 には、AM 用の商用 SP とそのサプライヤー、および互換性のある AM テクノロジーがまとめられています。これらの持続可能なプラスチックのほとんどはフィラメントの形で販売されており、最も採用されている 3D 印刷プロセスの中で最も手頃な価格である材料押し出しに基づくデスクトッププリンターや産業用プリンターと互換性があります。各材料について報告されたサプライヤーの数は、PLA が他のバイオベースのプラスチックよりも AM 向けに大量に販売されているという事実を反映しています。現在、ほとんどのサプライヤーはヨーロッパ、米国、中国に所在していますが、アジアに所在するサプライヤーの数は増加すると予想されています。フィラメントサプライヤーは通常、NatureWorks（米国）やTotal Corbion（オランダ）などの製造業者からPLAを購入し、可塑剤、着色剤、潤滑剤などの添加剤と組み合わせて、フィラメントの製造を容易にし、コストを削減し、望ましい機能的および美的特性を実現します。
表1: 積層造形用の市販SP

スペース	原材料	サプライヤー	形状	付加製造プロセス
ポリ乳酸（PLA）	トウモロコシ、サトウキビ、テンサイ、米、小麦、キャッサバ、タピオカ粉	3D4Makers（オランダ）、3D-Fuel（米国）、3DXTECH（米国）、colorFabb（オランダ）、Innofil3D（オランダ）、Makerbot（米国）、Polymaker（中国）、SD3D（米国）、Stratasys（米国）、Ultimaker（オランダ）	フィラメント	材料押し出し
ポリアミド（PA）	ヒマシ油	3D Systems（米国）、BASF（ドイツ）、ALM（米国）、Arkema（フランス）、EOS（ドイツ）、HP（米国）	粉	パウダーベッドフュージョン
ポリヒドロキシアルカン酸（PHA）	細菌	colorFabb（オランダ）、3D Printlife（米国）	フィラメント	材料押し出し
スターチ	スターチ	3D-Fuel（米国）、Z Corp（現3D Systems、米国）	フィラメント、液体	材料の押し出し。接着剤噴射
ポリブチレンサクシネート（PBS）	食物廃棄物、ブドウ糖、麻、微細藻類、菜種油、デンプン、ショ糖を餌とする微生物	3Dプリントライフ（米国）	フィラメント	材料押し出し
藻類	厄介な藻類	3Dプリントライフ（米国）	フィラメント	材料押し出し
食べ物	食べ物	Natural Machines Foodini (スペイン)、BeeHex (米国)、byFlow Focus (オランダ)、Choc Creator (英国/中国)、Pancakebot (ノルウェー)、3D Systems ChefJet (米国)、ZMorph VX (ポーランド)	ペースト、液体、粉末	バインダージェッティング、材料押し出し、インクジェット印刷、粉末床溶融結合
竹	竹繊維、粉末	eSUN（中国）、PopBit®（中国）、colorFabb（オランダ）、PRI-MAT 3D（ポーランド）	フィラメント	材料押し出し
コルク	コルク粉末、繊維	Formfutura（オランダ）、colorFabb（オランダ）、	フィラメント	材料押し出し
木材	木質繊維、ペレット	Formfutura（オランダ）、FkuR（ドイツ）、colorFabb（オランダ）、MG Chemicals（米国）、Fillamentum（チェコ共和国）、CC-Products（ドイツ）	フィラメント	材料押し出し

出典: A: A. Paesano、2022年。付加製造のための持続可能なポリマーハンドブック。ボカラトン：CRCプレス。初版。
注目すべき点は次のとおりです: (1) colorFabb と 3D Printlife の PHA フィラメントには他の成分が含まれています。前者には PLA が含まれ、後者には PLA と PBS が含まれています。（２）3D-FuelのPBSフィラメントにはPLAとPHAが含まれています。（３）海藻繊維にはPLAが含まれている。（4）食品には、ピザ、スパゲッティ、ハンバーガー、肉、アイシング、チョコレート、ペストリー、パンケーキ、生地、チーズ、ビスケット、小豆および緑豆のペーストなどが含まれます。（５）竹、コルク、木材のフィラメントにはPLAやその他のプラスチックが含まれています。
図 1: 3D プリントに使用される原料の破断時の引張強度: 充填済みおよび充填されていない SP (青) と化石由来のポリマー (赤)
3D プリント用 SP の実際の性能の例として、(a) AM 用の市販の充填済みおよび充填されていない SP と (b) AM 用の市販の化石由来プラスチックの代表的なサンプルの機械的特性を図 1 ～ 4 で比較します。前者は引張強度と弾性率の点では優れた性能を発揮しますが、耐衝撃性（ノッチ付きアイゾット衝撃強度）と耐熱性（66 psi での熱たわみ温度）の点では性能が低くなります。図 5 に示すように、2017 年には、AM 用の充填済みおよび充填なしの PLA サンプルの価格 (米ドル/ポンド) は、ポリカーボネート (PC) を含む AM 用の代表的な化石由来ポリマーの価格よりも魅力的でした。
図 2: 積層造形に使用される原料の引張弾性率: 充填済みおよび充填されていない SP (青) と化石由来のポリマー (赤)。
ABS とともに、PLA も、次の理由から最も人気のある積層造形フィラメントの原材料です: (a) PLA は ABS よりも低温で印刷できるため、印刷が簡単です。(b) ABS ほど簡単には変形しないため、加熱ベッドが必ずしも必要ではありません。(c) 印刷時に臭いがなく、ABS のような不快な臭いではなく、せいぜい甘いキャンディーのような煙が出ます。(d) ほとんどの種類の AM フィラメントよりも環境に優しく、バイオベースの材料です。積層造形用フィラメントサプライヤーが購入する PLA のサプライヤーは多数ありますが、生産量では NatureWorks® (米国) がトップを占めています。
図 3: AM 原料のノッチ付きアイゾット衝撃強度: 充填済みおよび充填なし SP (青) と化石ベースのポリマー (赤)。図 4 積層造形用原料のノッチ付きアイゾット衝撃強度：充填済みおよび未充填 SP（青）と化石由来ポリマー（赤）。図5 積層造形用原料の価格（2017年の数字）：充填済みおよび充填されていないSP（青）と化石由来ポリマー（赤）。
表 2 には、AM 用の市販の PLA 充填フィラメントとそのサプライヤーがリストされており、ほとんどの 3D 印刷が産業用および機能的なアプリケーションではなく、個人用および教育用の印刷 (趣味、自家製部品、学校、図書館など) であるにもかかわらず、AM 用の SP の中で PLA が優位に立っていることが確認できます。
表2: AM用市販PLAフィラメント

材料	サプライヤー
PLAガラス	3D-Fuel（米国）
PLA-金属（真鍮、青銅、銅、鋼）	colorFabb（オランダ）、Formfutura（オランダ）
ポリ乳酸カーボン	ProtoPlant（米国）、3DXTECH（米国）、SD3D（米国）、Black Magic 3D（米国）
PLA木材	FkuR（ドイツ）、Formfutura（オランダ）、MG Chemicals（カナダ）、colorFabb（オランダ）、Fillamentum（チェコ共和国）、CC-Products（ドイツ）
PLAコルク	colorFabb（オランダ）、Formfutura（オランダ）
PLA-亜麻	Extrudr（ドイツ）、Nanovia（フランス）

出典: A: A. Paesano、2022年。付加製造のための持続可能なポリマーハンドブック。ボカラトン：CRCプレス。初版。
フィラーが PLA よりも硬くて強い場合、PLA 充填フィラメントの機械的特性は、フィラーの寄与に基づいて理論的に予測される最大値よりも大幅に低くなります。この欠陥は主に、PLA とフィラー間の多孔性と不完全な界面接着によるものと考えられます。
積層造形における未充填および充填 SP の既存および可能性のある用途としては、趣味、プロトタイピング、教育、家具、医療/ヘルスケア、建築、建設、消費者製品、自動車、芸術などがあります。
付加製造のための実験的な持続可能なプラスチック<br /> AM 用 SP に関する進行中の研究開発作業は、一方では竹やコルクなどの古代の材料を活用し、他方ではセルロースナノファイバーやコラーゲンハイドロゲルなどの新材料を活用しており、創造性と量の両面で注目に値します。もちろん、すべてのアイデアやイノベーションが商業的に成功するわけではありませんが、この研究開発作業の背後にある幅広い考え方は、3D 印刷技術、特に押し出しに基づく技術によって、時間とコスト効率に優れた方法で新しい原料の実験が可能になることを示しています。実験的に積層造形された SP は数多く存在しており、表 3 にはそのサンプルのみが含まれています。 Paesano (2022) では、それらの包括的な数、特徴、使用される AM プロセス、およびアプリケーションについて説明しています。
表3: 積層造形のための実験的SPの例

材料	形状	プロセス
アガロースハイドロゲル	バイオインク	エビ
アルギン酸ハイドロゲル	バイオインク	エビ
バイオベースPEスプルースパルプ繊維	フィラメント	自分
セルロースナノファイバーミルク	スラリー	自分
セルロースナノファイバーデンプン	スラリー	自分
セルロースナノファイバー-水	ゲル	自分
セルロース-N-メチルモルホリン-N-オキシド	ゲル	自分
セルロースイオン液体	フィラメント	自分
亜麻繊維-PLA-可塑剤	フィラメント	自分
亜麻繊維-PLLA	フィラメント	自分
ハラケケファイバーPLA	フィラメント	自分
リグニン-ABS-CF	フィラメント	自分
リグニン-セルロース-アセトン-水	フィラメント	自分
PA11-MWCNT	粉	PBF
PA 11-ナノアルミナ	粉	PBF
PA 11 ナノフュームドシリカ	粉	PBF
PA 11-PLA-アクリル共重合体	フィラメント	自分
PA 11-セピオライトナノクレイ	フィラメント	自分
ペプチド	バイオインク	エビ
PHB-リグニン	フィラメント	自分
PHBV-リン酸カルシウム	粉	PBF
PHBV-MWCNTs	フィラメント	自分
PHBV-パーム繊維	フィラメント	自分
PHBV-木質繊維	フィラメント	自分
PLA連続アラミド繊維	フィラメント	自分
PLA連続CF	フィラメント	自分
PLA-グラフェンナノシート	フィラメント	自分
PLA-MWCNTs	フィラメント	自分
PLAナノクレイ	フィラメント	自分
PLA-PHA-セルロースパルプ	フィラメント	自分
PLA-PHA-ナノセルロース	フィラメント	自分
PLA-PP-竹繊維	フィラメント	自分
デンプン木粉	フィラメント	自分
砂糖	フィラメント	自分

略語: CFs カーボンファイバー、EBB 押し出しバイオプリンティング、ME 材料押し出し、MWCNTs 多層カーボンナノチューブ、PBF 粉末床融合、PE ポリエチレン、PLLA ポリ L 乳酸、PP ポリプロピレン。出典：A：A. Paesano、2022年。付加製造のための持続可能なポリマーハンドブック。ボカラトン：CRC Press。初版
プラスチックの付加製造における課題と短期的な見通し<br /> 専門家は、SP は近い将来、生産量と革新的な素材の面で成長するだろうと同意しています。以下は、SP市場の成長に影響を与える要因です（Paesano 2022）。
消費者は、SP の美観と機能的魅力だけでなく、環境面での利点も認識しており、SP に対する需要が高まっています。

政府の政策と法律は SP に有利です。
原材料の価格は化石原材料と競争力があります。
特定の地域の食用作物資源を減少させることなく、競争力のあるコストで期待される成果を達成する能力。
現在の産業インフラおよびサプライチェーンと互換性のあるルートを介してモノマーおよびポリマーを製造および販売するための処理。

一般的な SP から AM 用の SP まで、後者の市場は前者の市場のほんの一部に過ぎず、前者は、先に検討したように、2019 年の世界全体のプラスチック消費量の 1% を占めました。ただし、積層造形用 SP の短期的な市場は、次の理由により楽観的になる可能性があります。

世界の付加製造市場は、2022年から2030年にかけて年平均成長率20.8%で拡大すると予想されています。
AM 用の新しい原料の開発と発売に必要な投資規模は、従来の製造プロセスで同じ目的を達成するための投資に比べて小さくなります。
多くの個人用プリンターの顧客は環境に優しい製品を好み、新しい持続可能な原材料を試すことを好みます。この現象により、SP の認知度が高まり、商用アプリケーションへの関心が高まります。
国レベルおよび地方レベルの既存の政策や法律、国際協定、世論は、環境に優しい傾向を反映しています。
よりコスト効率の高い生産ルートが利用可能になるにつれて、SP は世界有数の化学会社によってますます生産されるようになっています。

従来のプロセスと積層造形に使用される SP (PLA、PHA、PBS など) の歩留まりと性能がそれぞれ増加および向上すれば、AM に使用される SP の価格と性能は低下および向上する可能性があります (Paesano 2022)。積層造形用の新世代 SP の開発に携わる者は、環境性能を考慮するだけでなく、毒性を測定し、ライフサイクル評価を実行する必要があります。
エンジニアリングアプリケーションの場合、候補となる材料は、設計者に受け入れられ、既存の原材料を置き換える可能性があるためには、テストデータを通じて継続的かつ信頼性の高いサービスパフォーマンスを実証し、競争力のある価格である必要があります。 AM 用の PLA 充填 SP の物理的および機械的特性を改善し、たとえば PLA と充填剤間の界面接着を強化する化合物 (サイズ) を配合することによって充填剤の強度と剛性を活用するための研究開発の取り組みが必要です。エンジニアリングアプリケーションの要求が厳しくなるほど、材料の性能を評価するためのテスト項目が広範囲になり、コストも高くなります。
南極熊のコメント:
Antarctic Bear は、将来的には自動車、建設、消費財が積層造形における SP の応用の主な推進力になると予測しています。持続可能な開発と付加製造技術に対する世界中の認識の高まり、および持続可能な開発への関心の高まりにより、国際的な大学で持続可能性に焦点を当てたコースが推進され、付加製造分野における SP の応用も促進されるでしょう。
この記事は、積層造形で使用される現在の SP 材料の概要を簡潔に説明します。ここでリストされている商用グレードは氷山の一角に過ぎず、さまざまな 3D 印刷プロセス、特に ME、PBF、バイオプリンティング向けに調査された実験的な配合も含まれています。実践では、積層造形の発展には常に新しいまたは改良されたプロセスや原材料の急速な導入が伴うことが分かっており、そのため積層造形用の SP 材料は予想よりも早く普及する可能性があります。