グリーンになろう: スクラップに「戻す」

Jul 09, 2023

誰かが「廃棄」または「元に戻す」と言ったらどう思いますか? 辞書を引くと、「役に立たない」、「価値がない」、「効果がない」などの同義語が表示されます。 こうした結びつきは深く根付いており、その認識を変えることは困難です。 しかし、積層造形 (AM) 業界が商業的かつ環境的な持続可能性を向上させたいのであれば、スクラップに対する考え方を変えること、つまり概念全体を否定することは、私たちが受け入れなければならないことです。

独立した資格は、リサイクル、再加工、再生された材料に対するメーカーの懸念を和らげる鍵となります。 現実世界の生産基準に合わせた厳格なテストを行うことで、古い協会に挑戦することができ、AM は自信を持ってより持続可能な道を進むことができます。

製造業は本質的に環境に影響を与えます。 石、木、鉱物、金属など、自然界の一部を取り出して何か有用なものに変えるということは、基本的な資源を抽出し、エネルギーを費やし、それらを変換するさらなる資源を意味します。

材料を加工に適した形に整えるだけで、最大の生態学的および経済的影響が生まれます。 抽出、加工、精製、輸送、およびその後の廃棄物の流れは、物理的な製造プロセスで使用されるエネルギーよりもはるかに持続可能性に影響を与えます。

金属と合金は、抽出と加工において特有の課題を抱えており、複数の加工ステップにわたって大量のエネルギーとリソースを必要とします。 鉄鋼産業だけでも世界の炭素排出量の約 7% を占めると推定されています。 一方で、2021 年に世界中で約 20 億トンの粗鋼が生産されたことを考えると、これは驚くべきことではないかもしれません。 しかし、これはまた、金属や合金のバリューチェーンからの炭素排出量を削減することが、ネットゼロへの競争において大きな影響を与える可能性があることを示している。

粉末床プロセスは、レーザーまたは電子ビームの電源を使用する、最も一般的に使用される金属 AM 技術です。 世界の製造業の中で使用される材料や作成される部品のうち、AM が占める割合はごくわずかですが、このプロセスは急速に成長しています。

テクノロジーが成熟するにつれて、AM の能力と製造要件との間のギャップは縮まり、アプリケーション開発のタッチポイントが増えています。

AM プロセスの再現性、品質、認定、認証がより重視されています。 AM エコシステムのますます全体的な見方も、テクノロジーを真の産業化に向けて推進しています。

さらに、製造における要件は、AM の能力に近づく方向に変化しています。 短納期、ジャストインタイム製造、オンデマンドのスペアはすべて AM を活用し、積層造形部品が従来の製造に取って代わることを可能にします。 したがって、今後数年間での採用拡大により影響がさらに大きくなるように、AM が今からその持続可能性に注意を払うことが重要です。

材料の選択は、製造業全体で持続可能性の目標を達成するための重要な要素です。 金属粉末ほどこれが顕著に表れる場所はありません。 ガス噴霧化 (GA) やプラズマ噴霧化 (PA) などの従来の粉末製造技術は、著しく非効率であり、環境に悪影響を及ぼします。

金属 AM 粉末を作成するための最も一般的な技術である GA では、通常、サイズが 1 ～ 250 ミクロンの範囲の粉末粒子が生成されます。 しかし、レーザー粉末床融合（LPBF）装置は、15 ～ 63 ミクロンの範囲内の粉末粒子サイズしか処理できません（個々のシステムやアプリケーションによって、この範囲がさらに狭くなることがよくあります）。

PA は GA と同様に収率が低いため、噴霧されて製造される粉末はすべて AM にはほとんど適していません。 これは、有用な部分が、生成されるオフサイズ粉末の環境的および経済的重みを負担することを意味します。 不適切なサイズの材料は、多くの場合、復元製造プロセスに戻され、より多くのエネルギーが使用され、何の価値も付加されずに二酸化炭素排出量が増加します。 特にチタンは焼却されるか埋め立て地に送られますが、これには独自の環境問題があります。

アトマイズ製造粉末のさらなる課題は、GA の場合はインゴット、PA の場合はワイヤのいずれかの原料が必要であることです。 これらのプロセスでは、抽出に関連して環境に固有の影響を与えるバージン材料を使用することも、噴霧プロセスが開始される前であっても、より多くの炭素を生成し、膨大な量のエネルギーを消費する非バージン材料から製造されたインゴットやワイヤに依存することもあります。 特に PA の場合、これは環境にさらなる影響を与えるだけでなく、作成できる加工可能な金属粉末を大幅に制限します。

6K の UniMelt システムは、AM、リチウムイオン電池材料製造、およびその他の産業市場で使用される先端材料を生産する生産規模のマイクロ波プラズマ プロセスです。 より少ないエネルギー投入で生産される極めて高い収率は、UniMelt システムが従来の技術の欠点の一部に対処するのに役立ちます。 さらに、このシステムは、高度に制御された化学的性質と物理的特性を使用して、加工が難しい耐火物を含むほぼ無限の種類の金属や合金を加工できます。 これは好循環により、AM はメーカーが直面するより多くの課題に取り組み、導入をさらに加速させることができます。

おそらく、このシステムの商業的および環境への最大の影響は、「スクラップ」を原料として使用できることです。 使用済みの粉末、使用済みのサポート構造、失敗したプリント、機械加工スクラップ、耐用年数が終了した部品などを、高級金属粉末の原料として使用できます。 しかし、金属粉末の循環経済はバージンストックの品質と競合できるのでしょうか?

意見や固定された関連付けを変える最善の方法は、独自に確認された証拠を利用することです。 それでは、現実の生産環境において、持続可能な金属粉末は従来の生産方法による材料とどのように比較できるのでしょうか?

Morf3D は、カリフォルニア州エルセグンドに拠点を置く、航空宇宙分野に重点を置いたエンジニアリング、高度な製造、および金属 AM のリーダーです。 持続可能性への取り組みの一環として、同社は冶金センター・オブ・エクセレンスの生産環境で6K添加剤から持続可能に生産されたNi 718粉末の認定を取得し、現在Ni 625に取り組んでいます。

Morf3D は、6K Additive の持続可能な方法で製造されたパウダーを、従来の GA で製造された材料からのデータと比較しました。 テスト部品では、6K Additive の持続可能な方法で製造された Ni 718 が、従来の GA で製造された粉末で製造された部品と同等またはそれを上回る性能を示しました。 物理的特性を調べるための CT スキャンにより、6K Additive の粉末は粒子レベルで高い一貫性を示し、優れた球形度を持ち、GA で製造された粉末に比べて粉末の多孔性が最大 2 倍低いことが明らかになりました。 一貫した粉末により一貫した部品が作成され、結果として廃棄物が少なくなります。

機械的特性のテストでは、層厚 40 µm と Morf3D の製造パラメータを使用して、EOS 400-4 でテスト クーポンを作成しました。 印刷されたままのサンプル、機械加工されたサンプル、熱処理されていないサンプル、および熱処理されたサンプルは、機械から直接部品を評価するために、また生産部品のより代表的なものを評価するために作成されました。 熱処理および機械加工されたクーポンは引張試験を受け、異常な結果のない一貫したデータセットが生成されました。

テスト クーポンは Morf3D の最小要件を上回り、従来のマテリアル データを超えていました。 疲労試験では、持続可能な Ni718 が予想される業界標準を上回り、再び従来のデータを上回る性能を示しました。 6K 添加剤パウダーで作られた部品は、従来のパウダーで作られた部品よりも一貫して優れた表面仕上げを示しました。

サステナビリティは当然、すべての消費者の良心の最上位にあり、取締役会の議題やニュースサイクルでも重要ですが、AM がこのテーマに取り組むことが不可欠です。 環境と商業上の義務はますます絡み合い、現在実行可能な唯一のルートは持続可能なものとなっています。 それに加えて、循環経済は、材料の次のバッチを容易にするリサイクル計画を通じて、金属のコスト寄与を削減する機会を提供します。

また、地政学的な状況に直面したサプライチェーンの安全のためにスクラップを使用することの付加価値も、別の日に取っておきます。 そこで、スクラップとは何なのか、スクラップとは何なのか、そして将来的にはどうあるべきなのかを再考しましょう。これはラインの終わりではなく、永続的な循環経済の新たな一歩にすぎません。

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