3D プリントはカーボンニュートラル戦略をサポートできますか?

この投稿は、Little Soft Bear によって 2022-2-17 17:15 に最後に編集されました。

出典: アリアンツ・アジア・パシフィック

新興製造技術である積層造形は、登場するや否や製造業界で広く注目を集めました。まだ不十分な面もありますが、デジタル変革の重要な発展方向の1つを代表する、大きな発展の可能性と想像力を備えた技術であると一般に考えられています。アンセムアジアパシフィックは長年にわたり付加製造の産業応用に深く関わっており、将来のデジタル製造変革における付加製造の核心的地位を深く認識しています。長年のプロジェクト経験と思考に基づき、「付加的思考のデジタル未来」に関する一連の記事を発表しました。

この記事はシリーズの第 2 回目です (第 1 回: 付加製造のデジタルインテリジェント製造の未来を分析する 5 つの側面、課題と機会が共存 https://www.nanjixiong.com/thread-151651-1-1.html)。

はじめに<br /> カーボンニュートラルは2021年の最もホットなキーワードの一つです。国家戦略の導入に伴い、カーボンニュートラルに向けた重要な技術ロードマップが徐々に明らかになり、主流の見解では、発生源削減、エネルギー代替、省エネと効率向上、エネルギーのリサイクルと利用、プロセス変換、炭素回収の6つの主要なルートがあると考えられています。積層造形は常に、製造業のデジタル変革の重要な技術と考えられてきました。では、3D プリント技術は、気候変動とカーボンニュートラルに取り組むという大戦略のデジタル変革を支える重要な技術となり得るのでしょうか?

△ 図1：AGCガラスヨーロッパのカーボンフットプリント評価概念図

現在の3Dプリント技術の二酸化炭素排出量

今日の 3D プリントは低炭素で環境に優しい技術ですか?答えはおそらく不確かです。

最近、世界のいくつかの研究機関は、ライフサイクルアセスメント（LCA）という科学的に認められたカーボンフットプリント計算方法に基づいて、3Dプリント技術が工業製品に与える影響を評価しました。LCAは、製品またはサービスのライフサイクル中のすべての入力または出力データを考慮して、総炭素排出量を導き出します。

2020年、カダール財団は建築用コンクリートの3Dプリント応用による環境への影響に関する研究を後援しました[1]。このプロジェクトでは、4つの異なる建設シナリオが検討されました。

伝統的な建築
鉄筋コンクリートの3Dプリント建設
鉄筋コンクリート3Dプリント建築
コンクリートに代わる混合物の 3D プリント構造。

研究対象となる環境影響のカテゴリーには、地球温暖化係数 (GWP)、酸性化係数 (AP)、富栄養化係数 (EP)、スモッグ形成係数 (SFP)、化石燃料枯渇係数 (FFD) が含まれます。

△図2：4つの施工条件下での建築用コンクリートの3Dプリントが環境に与える影響。この研究では、従来の施工方法と比較して、3Dプリントコンクリートの3つのシナリオは、地球温暖化係数（GWP）、酸性化係数（AP）、富栄養化係数（EP）、スモッグ形成係数（SFP）、化石燃料枯渇（FFD）の点で環境への影響を大幅に削減できることがわかりました。 4つ目の工法である、配合補強によるコンクリート3Dプリントは、環境への影響をさらに低減する効果を発揮します。これらの研究結果は、3D プリントされたインフラストラクチャを研究するだけでなく、建物の構造の完全性を維持し、環境への悪影響を軽減するための新しいタイプの印刷可能な材料を探求するという、建設業界の製造業の将来の方向性を裏付けています。

2020年11月、オランダのデルフト大学は、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン合金などの一般的な付加製造金属について、従来のプロセスと付加製造プロセスを比較しました。材料の製錬、プロセスエネルギー、後処理、成形不良による廃棄物、印刷プロセスからの有害排出物、付加製造金属最終製品の使用、印刷製品の金属材料のリサイクルと再利用などのさまざまな側面を考慮し、付加製造直接成形におけるアルミニウムまたはステンレス鋼材料1キログラムあたりの炭素フットプリントは、従来のプロセスの10倍になる可能性があるという結論に達しました[2]。

最終製品については、業界によって異なる結論が導き出される可能性があります。たとえば、航空宇宙用途で使用されるチタン合金は、付加設計による大幅な軽量化効果により、二酸化炭素排出量が削減される可能性があります。しかし、自動車用途の場合、積層造形は必ずしもカーボンフットプリントデータが改善されるわけではありません。主な悪影響は、粉末材料の製造プロセスで生成される過剰な排出です。また、この研究では、信頼できる環境影響要因を確立するには付加製造に関するデータが不十分であるため、付加製品のライフサイクルのあらゆる側面を考慮し、設計、材料、プロセスパラメータ、設備エネルギー、完全な生産技術、物流などの側面を結び付けることができる、より包括的で標準化された LCA 計算方法が必要であると結論付けられました。

△図3：3種類のチタン合金部品が炭素排出量に影響を与え、印刷部品No.1の炭素排出量が最も高い（軽量化や材料追加がないことを反映）
将来の3Dプリント技術とカーボンニュートラル<br /> これまでの研究はすべて、現在の 3D プリント技術と炭素排出状況に基づいて環境への影響をマッピングしていました。この方法は動的でタイムリーではなく、著者はその結論が合理的であるとは同意できません。原材料、製造、組み立て、使用、メンテナンス、寿命サイクルなど、製品のライフサイクル全体を考慮すると、3D プリンティングは従来の製造方法に比べて、炭素排出量の点で大きな利点があります。

AMSEは、2017年のAdditive Manufacturing Conferenceで3Dプリントの持続可能な環境への影響に関する研究を発表しました[3]。この研究では、持続可能性評価と 3D 印刷プロセスの改善の要素に画期的な進歩がもたらされ、最終的には CAD ファイルに戻され、ライフサイクルアセスメント (LCA) 手法と組み合わせて関連付けが完了しました。研究の結論は、3Dプリントは環境の持続可能な発展にプラスの影響を与えるというものです。今後、3Dプリント材料の準備と生産のリンク、印刷と成形のプロセスを改良して、より合理的なLCAベンチマークデータを作成する必要があります。同時に、3Dプリントの持続可能性評価モデリングでは、環境、経済、社会など、より多くの次元の影響を考慮し、ライフサイクルコストモデルLCC法にリンクする必要があることが推奨されます。最後に、この研究では、環境に優しい材料の開発が3Dプリント技術の持続可能な発展に最も大きな影響を与え、それが画期的な要因であることを示しています。

△ 図4: 3Dプリントプロセスに基づくCAD-LCA相関研究方法フレームワーク
2017年にELSEVIER[4]に掲載された別のTUDelftの研究では、高次元モデルとボトムアップモデリングアプローチを使用して、2050年の積層造形と世界のエネルギー需要の関係を検討しました。この研究では、演繹的探索シナリオ（シェルが2008年に初めて開発した将来のエネルギー技術に関する仮説理論）を使用して、付加的技術における協力に対する世界的な姿勢が、非常に競争的（スクランブル）か、非常に協力的（ブループリント）かを考慮して、4つのシナリオを確立しました。さらに、AM 添加剤が社会活動サイクル全体にどの程度浸透しているかを考慮し、低い浸透度 (AM の影響が低い = 20%) と高い浸透度 (AM の影響が高い = 80%) に分けます。この研究では、航空業界の航空機製品の既存のLCAデータを分析し、競争の激しいグローバル環境での省エネ効果は、浸透度に応じて5％から20％の間であるのに対し、協力的なグローバル環境では、省エネ効果が9％から25％まで増加する可能性があることを発見しました。建設業の計算結果も同様で、AMの適用には大きな省エネ効果があり、建設業における省エネ効果は主に原材料の節約と建物使用時の断熱層の省エネに反映されています。最終的に、本研究ではこのモデルを産業分野全体に外挿し、AM によって現在のエネルギー消費を 5%～27% 削減でき、高度に協力的なグローバルシナリオ (ブループリント) では省エネの可能性がより明らかになると結論付けました。

△図5：演繹的探索的シナリオ研究法の枠組みに基づく積層技術の4つの将来シナリオ。技術を時間的次元と応用範囲の広さから考慮すると、積層造形が低炭素であるかどうかはもはや単なる技術問題ではなく、社会的・政策的問題である。

3Dプリント技術はカーボンニュートラルを実現するための重要な要素です。<br /> 私たちはまだ、テクノロジー、社会、経済、政策の統合という問題を切り離そうとしています。そこでまずは、技術的な観点からカーボンニュートラルに取り組む上での 3D プリントの中核となる要素について見てみましょう。

1) 材料
3D プリントが二酸化炭素排出量を削減する主な方法の 1 つは、部品、コンポーネント、または製品あたりの材料の使用量を減らすことです。従来の製造方法と比較して、3D プリントでは切断、フライス加工、研削の工程が大幅に削減され、最終製品の材料利用率が大幅に向上します。再設計コンセプトに基づくと、DfAM 設計により部品の材料使用量を 5 ～ 25% 削減できることも業界の共通認識となっています。エネルギーを消散させる可能性のあるもう 1 つの方法は、従来の設計でエネルギーを大量に消費する材料で作られた部品を交換することです。たとえば、車両や機器のすべての部品が金属で作られる必要はありません。多くの場合、3D プリントされたポリマーまたは複合部品でも同じ特性が得られます。この観点から、減算設計と材料置換設計の両方の鍵となるのは、最も低炭素のコンポーネントを製造するために最も適切な材料を使用することを要求するフォワード設計です。さらに、3Dプリントに適した環境に優しい材料の開発も、このリンクにおける最も重要な要素の1つです。

2) 製造製造プロセスのエネルギーには、製造、組み立て、梱包など、原材料を使用可能な最終製品にするためのすべての側面が含まれます。 PBF を基礎プロセスとする 3D 印刷プロセスは、高出力レーザーと成形環境のため、一般的にエネルギーを大量に消費するプロセスであると考えられています。しかし、たとえば DLP 印刷プロセスでは、射出成形ツールのエネルギーの 1% しか使用されません。さらに、3D プリントは多くの製造工程における中核的なステップにすぎません。製造プロセス全体のエネルギー消費を分析することによってのみ、特定の製品に最適な 3D プリントプロセスをインテリジェントにマッチングできます。低炭素を目標としたインテリジェントな生産ライン計画がこのリンクの中核要素です。

3) オンサイト出荷とオンデマンド 3D プリント製造により、全体的なエネルギーの無駄が削減され、二酸化炭素排出量が削減されます。組み立て、輸送、物流、メンテナンス、保管にかかる環境コストは完全に、またはほぼ排除されます。 3D プリントの根底にある論理は、手頃な価格の製品を効率的かつ効果的に生産し、耐久性があり、軽量 (特に輸送時に有利) で、材料の無駄が実質的にゼロになるようにすることです。高品質、高効率、小ロット生産に重点が置かれています。 DfAM Design は、新製品の設計と初期生産段階を支援することで在庫を削減し、実際の製品重量の削減によって輸送コストを削減し、エネルギーと資源の使用を改善します。

現在の世界の輸送および物流インフラの二酸化炭素排出量は、人間の活動全体の約 30% を占めています。3D プリントでサポートされる分散型デジタル製造は、配送時間の短縮と輸送エネルギーの削減を意味します。この未来は、「すべての家庭にプリンターがある」という未来ではなく、地域のニーズを満たすことができる分散型積層造形ノードネットワークによって支えられています。インテリジェントな生産と物流の調整された計画が、このリンクの中核要素です。

4) 使用
3D プリンティングは、製品の外観、機能、性能、耐久性の向上をもたらし、耐用年数全体にわたって二酸化炭素排出量を削減します。フォワードデザイン、つまり最小限の材料で最高の製品を設計し製造することが、このプロセスで最も重要な要素です。

5) リサイクルすべての工業製品のリサイクルのボトルネックと同様に、3D プリント製品の中核的な問題は、許容される使用、リサイクル方法、再利用基準の判断にあります。

6) 社会的および政策的要因現在、3Dプリントの生産額は総工業生産額の0.1％未満を占めているため、3Dプリント製品のライフサイクル全体の炭素評価は世界中で広く政策的に注目されていません。ただし、開発の観点から見ると、3Dプリント技術は依然として政策の観点から以下のサポートを受ける必要があります。

カーボンフットプリントに関連するガイドラインまたは基準を策定し、3D プリント製品における原材料の節約とリサイクル可能で環境に優しい材料の使用を義務付ける。
AM のベストプラクティスに基づいて、使用段階における製品 (住宅を含む) のエネルギー効率基準を策定します。
AM 分散製造理論に基づいて製品輸送エネルギー使用の基準を策定します。
製品の修理とスペアパーツとしての再利用をサポートおよび促進するためのオープンソースの AM 設計ライブラリ。
製造プロセスのカーボンフットプリントの基礎を確立し、AM機器のガイドライン、ベストプラクティス、標準を開発する

結論と展望<br /> 積層造形は、あらゆるものを再設計し製造するための普遍的な技術です。既存のあらゆる製品や生活の中の目立たないあらゆる小さな物体は、DfAM とカーボンニュートラルの価値をもって再構築する価値があります。たとえば、屋根に太陽電池を設置することは、家庭の二酸化炭素排出量に確実にプラスの影響を与えますが、毎日使用する耐久消費財の製造方法における目に見えない変化は、二酸化炭素排出量にさらに大きな影響を与える可能性があります。

例えば、自動車業界のカーボンニュートラル計画では、車本体と車内環境の両方を考慮することができます。自動車の主な側面としては、材料製造、部品製造、車両製造、運転プロセス、リサイクルなどがあります。設計を起点として、カーボンニュートラルを目標に設計することで、サプライチェーン全体がそれに応じて変化します。この点では、3Dプリントとカーボンニュートラルは同じです。ここでの設計は、狭義のエンジニアリング設計ではなく、広義のトップレベル設計を指します。例えば、電気自動車の本体では、ブロックチェーンなどの技術を活用して、電気自動車のバッテリーのライフサイクル全体にわたるカーボンフットプリントを調査し、設計計画を最適化することができます。各リンクでの炭素削減には、積層造形が重要な役割を果たすことができます。

△図6：TCT誌の3Dプリントによるグリーン製造の概念は、自動車全体の環境に基づいてカーボンニュートラルの目標を考慮しています。外部調整の対象は主にエネルギー業界と運輸業界です。たとえば、自動車本体はエネルギー業界に炭素排出量の削減を強制します。そのため、最も注目されている水素エネルギーと電気には、3Dプリントが役割を果たす余地があります。自動車が主体となって交通環境の変化を牽引し、その根底には自動車の未来像をめぐる熱い議論が渦巻いている。インテリジェント交通の構想は2次元平面走行に限定されるべきではない。なぜ未来の交通は3次元の上昇下降交通ではいけないのか？カーボンニュートラルという壮大な目標の下、LCA と付加技術のサポートにより、排出ガスゼロの空飛ぶ車も想像し、設計することができます。
△図7：出典：デイブ・ブレナー、ミシガン大学環境・持続可能性学部。長年のプロジェクト経験と思考に基づき、Anshi Asia Pacificは「付加的思考とデジタルの未来」に関する一連の記事を立ち上げました。この記事はシリーズの第2弾です（第1弾：積層造形のデジタルインテリジェント製造の未来を分析する5つの側面、課題と機会が共存 https://www.nanjixiong.com/thread-151651-1-1.html）。今後もインテリジェント設計、コスト管理、マルチソース技術統合、新エネルギー応用などのコラム記事を続けて掲載していきますので、どうぞご期待ください。

記事参照:
1. Malek Mohammad 1,2、Eyad Masad、Sami G. Al-Ghamdi、「3Dコンクリートプリントの持続可能性：4つの建設方法シナリオの比較ライフサイクル評価」、Buildings 2020、10、245
2. ジェレミー・ファルディ博士とコリー・ヴァン・サイス、「金属付加製造の環境影響に関する知識の現状」、デルフト工科大学および AMGTA
3. Zhichao Liu、「3D プリントの持続可能性: 批判的レビューと推奨事項」、MSEC2016-8618
4. Leendert A. Verhoef、「付加製造が世界のエネルギー需要に与える影響：ボトムアップアプローチによる評価」、Energy Policy 112 (2018) 349-360

-著者-
Shou Xiaoxing はフランスで化学プロセス工学の修士号を取得しており、Ansem Asia Pacific の DfAM 実現事業部門の責任者を務めています。彼は石油化学、原子力、機械産業におけるエンジニアリングコンサルティングで 10 年以上の経験を持っています。オランダの海洋エンジニアリング会社INTECSEA社、イギリスのコンサルティング会社KBC Advanced Technology社での勤務経験を持つ。