3Dプリンティングにおけるリサイクルの実態と材料の持続可能性

2026年8月14日 | 読了時間：5分

3Dプリンティングと持続可能性は同義のように語られることが少なくありません。積層造形（AM）には数多くの利点があります。ニアネットシェイプによる製造は材料廃棄を抑制し、さらにデジタルワークフローによって、必要な時に必要な数量だけ生産できるため、過剰生産を回避できます。重要なのは、リサイクル、再利用、責任ある材料調達を適切に取り入れることで、効率的な３Dプリンティングを、実証可能な材料の持続可能性へと結びつけられるかどうかです。そうでなければ、従来の製造方法と同様の廃棄物問題を繰り返することになりかねません。真に責任ある製造を実現するには、適切な3Dプリンターの選定、材料の選択、そして造形品質のを管理するための適切なプロセスが不可欠です。

3Dプリンティングが必ずしも持続可能とは限らない理由

AMを持続可能性への万能なソリューションと考えるのは適切ではありません。装置を導入するだけで、環境負荷の低減が自動的に実現されるわけではないからです。粉末材料の管理不足、不適切な造形パラメータ、過剰なサポート材の使用は、AMの本来持つ環境面でのメリットを損なう可能性があります。また、適切なリサイクルプロセスが確立されていなければ、材料廃棄やスクラップが増加し、、持続可能な3Dプリンティングという目標そのものが損なわれる恐れがあります。

粉末床溶融結合法（PBF）はその代表的な例です。この技術が「廃棄物の少なさ」という利点を発揮できるのは、未使用粉末を後続の造形に再利用し、さらに軽量構造の採用や効率的な生産によって材料使用量を削減できる場合に限られます。こうした取り組みが行われなければ、未溶融粉末や造形不良品、過剰なサポート材の発生によって、3Dプリンティングに伴う廃棄物は想定以上に増加する可能性があります。

積層造形におけるリサイクルと再利用の違い

再利用は、同じ材料循環プロセスの中で活用し続けることを意味します。例えば、未溶融の粉末はふるいによって、不純物や大きな粒子を除去した後、材料の種類に応じて新しい粉末と混合したら、新しい粉末と混合したり、ホッパーへ補充したりすることで再び造形に使用されます。この方法により、造形材料の品質を維持しながら、複数回にわたって活用することが可能になります。

一方、リサイクルは異なる考え方です。リサイクルとは、廃棄物を新しい材料や製品へと再生するプロセスを指します。例えば、造形不良品やサポート材は粉砕してペレット化し、射出成形用材料として利用したり、他の合金へ再利用したり、新たな粉末原料へ加工したりすることができます。
再利用とリサイクルは、どちら3Dプリンティングにおける廃棄物削減に貢献しますが、必要となる設備投資、品質管理の要求水準、そして規制対応の厳しさには違いがあります。現在のリサイクル法の多くは、未使用の樹脂粉末や造形品、サポート材をペレット化して他の製造プロセスで利用したり、金属廃材を再溶解して再利用したりする方法が主流となっています。

一方で、使用済み樹脂粉末を再びPBFプロセスで活用するための技術開発も進んでいます。例えば、使用済みポリアミド粉末は水蒸気処理による材料特性の改善や、造形品の再粉末化によって再利用することが可能です。ALM HT-23の再粉末化に関する研究プロジェクト（実現可能性調査）では、このようなアプローチの有効性が確認されています。また、金属スクラップから製造される金属粉末は、金属部品の再利用と金属粉末材料の持続可能な調達の両方に貢献します。

材料調達の観点では、EOSのアルミニウム材料 AlSi10Mgは現在、100％リサイクル原料から製造されています。これにより、従来の材料と比較して、原材料調達から出荷までのライフサイクルにおける温室効果ガス排出量（CO2e ）を約83％削減しています。第三者機関による検証では、材料特性が従来品と同等であることが確認されており、お客様は再認証や再評価に伴う追加コストや時間を回避できます。リサイクル原料への移行は、クローズドループリサイクルと持続可能な3Dプリンティングに向けた大きな一歩です。そして、高いリサイクル材含有率を実現している材料はAlSi10Mgだけではありません。

再利用の代表的な例として、工業用水処理部品があります。このプロジェクトでは、最大100％再利用した樹脂粉末を使用して部品を製造しました。使用された材料は、ポリアミド12(PA2200)粉末は、すでに複数回の造形に使用された材料でしたが、3Dプリンティング部品に求められる機械的特性を十分に満たしていました。つまり、一度使用した粉末であっても、その特性を活かして新たな製品の製造に再利用できることを示した事例です。

一方で、樹脂材料の多くは現在もダウンサイクルが主流です。ダウンサイクルとは、元の用途よりも性能や付加価値の低い用途へ再利用することを指します。そのため、エンジニアは環境面だけでなく、コスト、品質、規制要件も考慮しながら、再利用とリサイクルのどちらが適しているかを判断しています。特にさまざまな材料を扱う場合には、高性能な樹脂3Dプリンターと信頼性の高い分析・評価技術を活用することで、最適なバランスを見つけることが重要になります。

AMにおける材料循環のライフサイクル

材料調達

PBFプロセスで製造される部品の環境負荷に最も大きな影響を与えるのは、使用された材料そのものです。そのため、材料由来の環境負荷を低減するためには、まず原材料の調達段階から取り組みことが重要です。

AlSi10Mgのような金属材料の多くは、最大100％のリサイクル率を原料として使用することが可能です。
一方、現在PBFで使用されている樹脂材料には、リサイクル由来の原料は含まれていません。しかし、再生可能エネルギーを活用した製造プロセスや、バイオ由来樹脂、さらに廃食用油を原料とした樹脂を採用することで、原材料に起因する二酸化酸素排出量を削減することができます。

ISO 14040/44 または ISO 14067 に準拠したライフサイクルアセスメント（LCA）や製品のカーボンフットプリントは、理想的には第三者機関による検証を経て、上流段階の影響を定量化し、調達部門やコンプライアンス部門が活用できる監査可能な炭素ベースラインを確立します。リサイクル素材を含め、適切な素材の種類や原材料を選択することは、持続可能な製品を設計するための基礎となるステップです。

製造

粉末材料の無駄を省くことは、おそらく生産過程において材料を節約し、ひいては温室効果ガスの排出を削減するための最善の方法である。さまざまな手法により、粉末を可能な限り再利用できるようになっている。

金属：残留粉末はふるい分けを行い、再利用が可能です。2025年にM4 ONYXとともに導入されたRFS Proは、サイクロン分離器を用いて排気流から粉末を分離し、ふるい分けや再利用を可能にします。「Smart Fusion」などのツールを使用することで、サポート材の削減と材料の節約を実現します。
ポリマー：ポリマー粉末は通常、新品粉末と使用済み粉末のブレンドです。新品粉末の割合は50％が一般的です。リフレッシュに最適化された材料を使用することで、ブレンド中の新品粉末の量を減らし、コストと材料使用量を削減できます。上記の特例では、廃水処理により使用済みPA12粉末を最大100％まで活用しており、この特定の用途において、経年変化した粉末の特性変化を活かしています。

投入された材料のすべてが、最終的な形状の一部になるわけではありません。サポート構造や失敗した造形は、3Dプリントのスクラップを生み出します。サポートを最小限に抑える設計、造形前のシミュレーションの実行、溶融プールの変化をリアルタイムで追跡することで、偏差が雪だるま式に拡大して材料の損失につながるのを防ぐことができます。適切な3Dプリンターの設定やプロセスを採用し、造形失敗を監視することで、スクラップと材料の無駄の両方を削減できます。軽量な構造やトポロジー最適化を採用することで、そもそも材料の使用量を削減できます。

リユースサイクル

3Dプリントにおける再利用は、製造プロセスと密接に関連しています。材料は再利用したり、再生したり、あるいはふるいにかけて混合し、再度加工することが可能です。

未使用の粉末は、ふるい分けを行い、適切なリフレッシュ比率でブレンドすることで、再利用可能な在庫となります。持続可能性の観点から見ると、材料のブレンドに伴う排出量は、新たに添加された材料からのものに限定されます。PA 2220HighReuse や PA 950 HD、さらには EOS TPU 1301 などの材料では、新規材料の割合はわずか 20～30% で済むため、新規材料による影響や廃棄物の発生を最小限に抑えることができます。水処理による造形に関する追跡分析では、8ロット・22時間の造形において、再利用粉末に切り替えた結果、排出量が108 kgから16 kgCO2e に減少（86％削減）した一方で、引張特性および疲労特性は仕様範囲内を維持しました。このアプローチは、3Dプリント廃棄物のリサイクル量を削減し、再生材料の利用を最大化することにも寄与します。

ほとんどの用途において、100%の中古粉末を使用することは現実的ではありません。しかし、新規・再生・最適化された材料を使用することで、再生率を十分に低く抑えることができるため、混合物に追加する必要があるのは、ほぼ部品に成形された粉末のみとなります。

金属粉末についても同様の仕組みが適用されます。印刷で未使用となった金属粉末はふるい分けられ、次の造形サイクルで再利用されます。最新世代の再循環ろ過システム（RFS Pro）では、サイクロン分離器を用いて造形チャンバーから排出された粉末を分離し、これらも再利用可能です。さらに、EOSでは、将来の使用に向けて使用済み粉末の試験および再認定サービスを提供しています。

リサイクルの流れ

再利用の限界に達すると、材料はリサイクルされる可能性があります。ポリマーと金属のリサイクル方法は大きく異なります。これは、材料が受ける変化の種類がかなり異なるためです。PBFで通常使用されるポリマーについては、スクラップや使用済み粉末から新しい粉末を作る「機械的リサイクル」は、現時点では実現不可能です。その主な理由として、PBF用ポリマー粉末の特性に対する厳しい要件と、熱下での使用中にポリマーが劣化することが挙げられます。ダウンサイクリングの選択肢は限られており、通常は、要求仕様がそれほど厳しくない射出成形や押出成形用のペレットを製造することが一般的です。

化学的リサイクルは別のアプローチをとります。ここでは、機械的リサイクルには利用できない残りのポリマーを、モノマーやそれよりもさらに小さな成分に分解し、新しいポリマー製品の原料として利用します。このプロセスにはより多くのエネルギーと触媒が必要ですが、独自の特性を持つ、実質的に新しいポリマー材料を生み出すことができます。

一方、残った金属粉末、サポート構造物、スクラップは、スクラップ業者によって回収され、従来の金属リサイクル工程で利用されます。通常、この工程には、選別、洗浄、再溶解が含まれ、回収された金属は新しい合金やあらゆる種類の金属製品に再利用されます。金属生産における排出量の大部分は、鉱石の処理や炉の使用に起因するため、金属リサイクルは膨大な量のエネルギーと排出量を削減します。一方、二次アルミニウムは繰り返し再溶解が可能であり、多くの場合、一次生産に要するエネルギーのわずか5％で済む。これは、AMを含むあらゆる産業における金属リサイクルの持つ相乗効果を如実に示している。

ライフサイクルの終了

粉末や部品をリサイクルや再利用できない場合、それらは通常、埋立処分場や廃棄物焼却施設に送られることになります。一方、完成品は再製造または材料回収の対象となります。明確な部品マーキング、トレーサビリティシステム、および文書化された材料履歴により、金属は認定された溶解工場へ、ポリマーは認定リサイクル業者へ供給されるようになり、こうした使用済み時の処分シナリオを回避することができます。

最適化による改善効果は実際にはどこから生まれるのか

効果的な材料管理により、AMは革新的な技術から、測定可能な持続可能性を備えた技術へと進化します。

主な対策としては以下が挙げられます：
配向やニアネットシェイプ形状を最適化し、サポート材を最小限に抑え、機械加工用余肉を減らし、仕上げ時間を短縮します。
ふるい分けや再生処理により、使用済みのポリマーや金属粉末を再利用します。
粉末の品質を監視し、粒度分布や化学組成が仕様範囲内を維持されるようにすることで、プロセスや部品の品質を損なうことなく、粉末を安全に再利用できるようにします。
生産を地域に集中させることで、輸送に伴う排出量を削減し、サプライチェーンのレジリエンスを向上させます。

なぜマテリアル戦略がサステナビリティの成果を牽引するのか

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