3Dプリンティング技術は、工具や試作品を低コストで迅速に製造する手段から、複雑な工学設計上の課題を解決する方法へと進化してきました。
積層造形とも呼ばれる3Dプリンティングは、製造業の環境負荷を軽減し、より持続可能な製品を開発する方法を提供します。
航空宇宙産業をはじめとする産業で3Dプリンティングの利用を広げることは、製造業の環境負荷の軽減につながります。
3Dプリンティング技術は、工具や試作品を低コストで迅速に製造する手段から、複雑な工学設計上の課題を解決する方法へと進化してきました。3Dプリンティングによって設計の自由度が高まり、メーカーはコストとリードタイムを削減しながら、機能性と耐久性を高めた差別化製品を生み出せるようになりました。
現在、積層造形とも呼ばれる3Dプリンティングは、製造業の環境負荷を軽減し、より持続可能な製品を開発する方法を提供しています。製造業は世界の温室効果ガス排出量の12%を占めており、気候・エネルギーソリューションセンターによると。
3Dプリンティングは、材料の使用量や切削加工の工程が少なく、廃材の発生量も抑えられるため、従来の製造技術より持続可能な場合があります。軽量で幾何学的な設計の柔軟性にも優れるため、航空宇宙から医療機器、スポーツ用品に至るまで、環境に配慮した製品イノベーションが可能になります。
製造業とサプライチェーンに関して、世界経済フォーラムはどのような取り組みを行っていますか？
先進製造業・サプライチェーンセンターは、ビジネス、政府、市民社会のリーダーを結び付け、製造業とグローバル・バリューチェーンを変革する動きを読み解きます。複雑さを増す世界経済の中で、レジリエンス、持続可能性、競争力を探るための信頼できる場を提供しています。
業界や地域を越えた協働と共通理解を促すことで、同センターはパートナーが共に適応し、イノベーションを起こし、サプライチェーンを強化するための実践的な道筋を見いだせるよう支援します。
持続可能な製造業
積層造形が製造業のカーボンフットプリントにどれほど好影響をもたらすかを理解するには、航空機に使われる何百万もの部品を考えてみてください。ボーイングでは、材料の採掘から部品の製造、航空機の退役に至るまで、当社の航空機が環境に与える影響を定量化するため、ライフサイクル評価を実施しています。
787ドリームライナーの調理室に使うブラケットを1,000個以上、3Dプリンティングで製造した際、これらの部品に伴う二酸化炭素排出量、埋め立て廃棄物、有害物質、水とエネルギーの使用量を30～39%削減できることが分かりました。大きな金属ブロックからブラケットを削り出して余分な材料を取り除く代わりに、チタンワイヤーをプラズマ場に送り込み、材料を効率よく溶融・積層して一体成形しました。より速く材料効率の高いこの工程により、水、材料、エネルギーの消費量が減り、従来の切削加工で生じる余分な材料の廃棄や潤滑剤の使用も抑えられました。
別の例では、衛星のペイロードの製造・組み立てに伴うカーボンフットプリントを、何万もの部品を統合することで削減しました。個々の部品をつなぐ何千もの補助締結具を、一体部品としてプリントすることで不要にしました。また、積層造形の一種である粉末床溶融結合法を用い、故障しやすい溶接やろう付けなどの箇所もなくしました。
この技術では、レーザー光を人の髪の毛より薄い粉末の層に一層ずつ照射し、三次元の物体を作ります。それぞれの層は、造形する部品のコンピューターモデルを「スライス」した形状に対応しており、モデルの各スライスの厚さはプリント層の厚さと同じです。レーザーで粉末を溶かすと粒子同士が混ざり合い、すばやく固化して一体になります。新たな粉末層を重ね、部品が完成するまでこの工程を繰り返します。
この3Dプリンティング方式は、衛星の多くの重要な部分を構成する部品の製造に伴う二酸化炭素排出量と廃棄物を削減しただけではありません。さらに、不要になった補助締結具の製造、保管、輸送、検査、試験、組み立てに伴う二酸化炭素排出もなくしました。
持続可能な製品
幾何学的な設計の柔軟性が高まり、材料廃棄が減ることで、積層造形は環境に配慮した持続可能な製品イノベーションを促しています。航空宇宙分野では、3Dプリンティングにより、より軽量で燃料効率の高い航空機を製造できます。
たとえば、新技術の開発と試験に用いるボーイング・エコデモンストレーターに搭載した複雑な火災検知器用ブラケットは、設計を最適化し、レーザー粉末床溶融結合法でプリントすることで、重量を31%削減しました。最適化した新しい3Dプリンティング設計によって、従来の手段では製造できない軽量部品を実現できました。
この部品の従来の製造工程は板金を使い、大量の材料や切削加工を必要としなかったため、3Dプリンティングによる製造時のカーボンフットプリントは従来の製造工程よりわずかに大きくなりました。しかし、軽量化した3Dプリント部品により、航空機の運用期間全体にわたる燃料消費と二酸化炭素排出量は19%減少し、3Dプリンティング中に増えた少量の排出を大きく上回りました。
3Dプリンティングにより、品質上の問題とともに、欠陥が生じやすい溶接もなくなりました。この部品の従来の製造工程では、板金の圧延、レーザー切断、金属を12か所で溶接して接合する作業が行われ、品質上の問題が頻発し、修正が必要でした。
3Dプリンティングで実現する、より持続可能な産業時代
もちろん、積層造形が製造現場の環境負荷を常に低減するとは限りません。企業は、特に従来は大量の材料や切削加工を必要としない部品を切り替える場合、3Dプリンティングを導入する価値を評価する必要があります。重量削減や耐久性、品質、性能の向上など、部品の使用期間中に付加価値を生み、より環境に配慮した運用につながる、3Dプリンティングで可能になった設計変更を取り入れる取り組みを進め、実装すべきです。
より環境に優しくクリーンな製造時代に向けて、3Dプリンティング技術の可能性を最大限に引き出す取り組みは、まだ始まったばかりです。積層造形が、より持続可能な航空輸送の未来に不可欠であることはすでに明らかです。航空機内の複雑な形状の空洞に合う部品を3Dプリンティングで作ることで、航空機はさらに軽量化され、空力特性と燃料効率も向上します。また、リサイクルに必要な環境資源がより少ない新素材や再生材料も導入されるでしょう。
航空宇宙をはじめとする産業で3Dプリンティングの利用を広げることは、製造業の環境負荷の軽減につながります。今後の気候課題の緩和に向けて温室効果ガス排出量を削減することが急務である中、積層造形を製造工程に導入すれば、持続可能なイノベーションや製品をより環境に配慮した方法で生み出せます。
