ナイロン（PA）3Dプリントの持続可能な開発の道はどこにあるのでしょうか？バイオベースの素材は画期的な進歩となるかもしれない

はじめに:ナイロンはポリアミド (PA) 合成ポリマーです。積層造形においては、FDM 3D 印刷技術ではフィラメントフォーム (PA6) で、SLS 選択的レーザー焼結法や HP の MultiJet Fusion などの技術では粉末フォーム (PA11 および PA12) で使用できます。
ナイロンプリント部品は、PLAや感光性樹脂などの材料と比較して、靭性と強度が強く、3Dプリント業界で広く使用されている材料ですが、議論の余地もあります。たとえば、ポリアミドの組成、材料のリサイクルおよび再利用の程度、製造工程中のガス排出量などです。さらに、環境保護は今日すべての企業が考慮し、考慮しなければならない側面です。 △ 3Dプリント用ナイロンフィラメント、出典：eSUN 3Dプリント業界におけるナイロン材料の役割とそのカーボンフットプリントをよりよく理解するために、この記事では、粉末とフィラメントの形のナイロン材料の特徴と特性を分析します。
では、PA6 フィラメントはどのように印刷されるのでしょうか? PA11 と PA12 の違いは何ですか? 3D プリント業界におけるナイロンの使用と持続可能性に関する状況はどのようなもので、実行可能な代替手段はあるのでしょうか?この号では、この素材の持続可能性と製造業界の方向性についてさらに詳しく知るために、これらすべての質問に対する答えを提供します。
△ナイロンパウダー3Dプリントパーツ
PA6 - 過酷な使用条件に耐える3Dプリントフィラメント
PA6 フィラメントは半結晶性の熱可塑性ポリマーであり、世界で最も広く使用されているポリアミドの 1 つです。 PA6 の融点は 220°C で、優れた性能とコストの比率により、さまざまな用途に使用されています。従来は工業製造に使用されてきましたが、優れた機械的特性と高性能部品を作成できる能力により、3D プリントの分野でも徐々に人気が高まっています。さらに、PA6 は、PLA や ABS などの標準的なプラスチックよりも 3D プリントが難しい素材です。動作温度範囲は 250 ～ 270°C なので、収縮しないように適切な作業環境を確保する必要があります。
ナイロンは、ポリマー合成の多くの経路の 1 つである開環重合によって生成されるという点で、他の種類のポリアミドとは異なります。これにより、縮合重合（モノマー分子全体がポリマーの一部になる）と付加重合（モノマー分子がポリマーの一部になると一部が失われる）の両方の特殊なケースになります。 PA6 の環境への影響を分析し、より持続可能な材料に移行する際には、2 つの重要な側面を考慮する必要があります。 1 つ目は材料を得るための製造プロセス、2 つ目はこの変換プロセスに関係する原材料です。この両方によって、このポリアミドのカーボンフットプリントが決まります。
△PA6ナイロンフィラメントPolyMide CoPAプリントパーツ、画像提供：Polymaker
PA11 と PA12 の組成と環境への影響<br /> 化学的には、PA11 と 12 は非常に類似していますが、ポリマー骨格の炭素原子が 1 つだけ異なります。しかし、この 1 つの原子がポリマーの構成方法に大きな違いをもたらし、異なる物質を形成します。それ以外では、3D プリント用のポリアミド粉末の主な違いは、その起源です。 PA11 は、「グリーン」な原材料から製造される半結晶性ポリマーであり、その合成プロセスは PA12 よりも PA6 に近いです。このタイプのナイロンはバイオベースであり、主にヒマシ油などの植物由来の再生可能な原材料から生産されています。用途面では、PA11 は主に、優れた耐薬品性、柔軟性、低透過性、寸法安定性が求められる場合に使用されます。つまり、過酷な環境や、こうした条件にさらされる機能プロトタイプ部品です。
△持続可能なヒマ豆はPA11の製造に使用できる。出典：ストラタシス

PA12 は、通常石油から抽出される微細な合成粉末です。その基本的な特性は、ポリアミド自体の化学構造だけでなく、組成物に添加される添加剤や繊維によっても付与されます。その最も重要な特性は、化学物質、環境条件、衝撃に対する高い耐性、低い吸水性、高い加工性、そして最後に、優れた耐摩耗性と滑り性です。このプラスチックの主な用途としては、自動車産業や航空産業などの先進産業で使用されています。すでに述べたように、その優れた機械的特性により、この専門分野における重要な材料となっています。
Sculpteo の Web サイトでは、PA11HP 材料を参照する際に、2 つのポリアミド間のギャップについて説明しています。ウェブサイトには、「当社の PA11 HP は 100% 再生可能なバイオマス資源に基づいています。オイルはヒマ植物のヒマ豆から抽出されます。その後、オイルはモノマー (11-アミノウンデカン酸) に変換され、最終的に PA11 に重合されます。この PA11 素材は PA12 の持続可能な代替品であり、皮膚に接触する部品の製造に使用できます。」と記載されています。これは、持続可能性の観点から、PA11 が最初に移行すべきバイオプラスチックであるべきであることを示唆していますが、最終的な 3D プリント部品の用途も考慮する必要があります。
△SLSレーザー焼結PA、写真提供：Formlabs
両方の PA の特性を考慮すると、バイオプラスチックは部分的に再生可能な資源から作られ、生分解性であるため、一見すると従来のプラスチックよりも優れた代替品であるように見えます。そうは言っても、ナイロンの特性を考慮すると、3D プリントにおけるナイロンの使用とそれが持続可能性とどのように関係するかについては依然として注意を払う必要があります。
ナイロン、3Dプリント、そして持続可能性
他の合成プラスチックと同様に、ナイロンは環境によって分解される可能性のある素材ではありません。紙、木材、ガラスなど他の天然資源も同様で、時間の経過とともに酸化して分解します。したがって、プラスチック廃棄の複雑さに対処する最も一般的なアプローチはリサイクルです。留意すべき点の 1 つは、PA11 などのバイオプラスチックは、ほとんどの都市にこの種の変換に必要な施設がないため、リサイクルが難しいということです。それらの多くは最終的に埋め立て地に行き着き、二酸化炭素の23倍の強力な温室効果ガスであるメタンを大気中に放出し、従来のプラスチックよりも大きなオゾン層の破壊を引き起こします。
この記事では、ナイロン材料に使用される 2 つの付加製造技術、FDM と SLS に焦点を当てます。持続可能性に関して言えば、ナイロン SLS 3D プリントには重要な利点があります。印刷プロセス中、部品は未焼結粉末に囲まれ、それが印刷された部品のサポートとして機能します。 SLS テクノロジーでは、未焼結粉末の最大 70% を新しい印刷ラウンドに再利用できます。持続可能性とリサイクル性の観点から見ると、溶融押し出し印刷のサポート材料は再利用のために変換できないため、これは FDM 方式よりも有利です。
△ SLS技術では、未焼結粉末の最大70％を再利用できます（画像提供：アルケマ）
実際、3D プリント業界の多くの企業は、環境への影響を軽減するために、バイオベースの環境に優しい材料を使用したソリューションをすでに開発しています。
アルケマは業界で最も著名な化学会社の一つであり、ナイロンを含む付加製造材料に関する豊富な経験を持っています。当社はヒマの植物化学に関する独自の専門知識と技術を有しています。この工場では、同社の Rilsan® ポリアミド 11 シリーズなど、さまざまな高性能の長鎖生分解性ポリアミドを開発することができます。
Stratasys の最新の H350™ 3D プリンターは、ヒマシ油由来の高収率 PA11 材料を使用する初めてのプリンターです。画像提供: Stratasys
BASFによれば、インドは現在ヒマ豆の最大の生産国で、世界総生産量の80%にあたる120万トンを供給している。ヒマ豆は気候が適した地域では簡単に栽培できます。ヒマ豆には40～60パーセントの油が含まれており、残りは肥料として使用されることが多い。実際、合成材料が開発される以前から、この植物はエンジンの潤滑剤として長年使用されていました。ヒマシ油は食用ではない植物油であるため、食品業界にとって競合相手にはなりません。ヒマシ油は化学的に多用途であるため、企業はヒマシ油からエポキシ、ポリアミド、ポリエステルなどのさまざまなポリマーを合成することができ、PA11 もその 1 つです。 BASF、アルケマ、ヤヤント・アグロ・オーガニックスなどの素材企業や、国際NGOのソリダリダードは、インドにおける持続可能なヒマ豆の生産を促進するためにいくつかの措置を講じてきた。
持続可能性の観点から見たナイロンの未来<br /> 製造業界で使用されるすべての製造材料は、ガスの排出や部品のリサイクル可能性の程度などを通じて、環境に何らかの影響を与えることは明らかです。さらに、石油由来のポリアミドに代わる実用的な代替品は現在存在しないものの、非常に有望なバイオベースのポリアミド構成要素が現在研究されています。石油価格が引き続き変動し、気候危機への意識が高まるにつれて、現在のナイロン部品に代わる新たな素材が開発される可能性が高くなります。
△付加製造業界は持続可能性の面で幅広い展望を持っている（画像提供：FICEP S3）
3D プリントのプロセス自体に焦点を当てたこの技術には、比類のない利点があり、製造時間と使用材料の量を削減できます。 PA11の使用に関して、アルケマチームはウェブサイトで次のように述べています。「クリーンで持続可能な材料の使用を求める企業が増えています。PA11は100%バイオベースのポリマーであり、グリーン戦略に完全に準拠しており、企業の社会的責任の目標達成に役立ちます。」
ナイロンの世界的な使用に関して、FICEP S3 の Nuno Neves 氏は、より明確な見解を示しています。「解決策は、石油由来のプラスチックの製造と使用をやめることではなく、それらをよりスマートに使用し、正しくリサイクルし、実際にはそれ以上の価値があるのに、「バイオ」ラベルの付いたものは良いものだと考えるのをやめることです。」
これら 2 つの視点を比較すると、ナイロンの使用に関しては、積層造形業界が正しい方向に進んでいることは明らかです。しかし、ネベス氏が言うように、「バイオフレンドリー」がプラスの要素となり、環境への影響が少ない持続可能な製造が実現されるまでには、まだ長い道のりがある。

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