持続可能な製造のための戦略的材料選定：プラスチック編

シニア設計開発エンジニアのイジー・デ・ラ・グアルディア氏と、カスタマーアプリケーションエンジニアのキャスリーン・ボリート氏による解説です。

持続可能な部品製造への道のりは、持続可能な設計やサプライチェーンプラクティスだけでは終わりません。材料によって環境負荷が異なるため、慎重な材料選択は製造の持続可能性を大きく前進させます。環境インパクトの低減に加え、持続可能な材料の使用は「グリーンビジネス」としての評判構築にも役立ち、消費者は環境に配慮した企業をより支持する傾向があります。

多くの金属は品質を落とさずに繰り返しリサイクル可能ですが、プラスチックではそうはいきません。プラスチックの91%はリサイクルされず、その大半が埋立地行きです。改善の余地は大きく、この持続可能な製造シリーズの第一弾では、プラスチックにおける持続可能な製造のための材料考慮点に焦点を当てます。調達、使用、廃棄に伴う環境コストの低い材料を選ぶ機会があります。

材料の持続可能な調達

部品をより持続可能にするなら、まず材料の調達元を見直すのが最適です。再生可能資源由来か、非再生可能資源由来かを選択する必要があります。

再生可能資源と非再生可能資源

再生可能資源とは、枯渇分を補充できる天然資源です。自然生産で補われる場合もあれば、植林のように人の手が必要な場合もあります。木材は典型的な再生可能資源ですが、再生速度を上回る伐採を続ければ、新たな苗木の植栽が必要になります。

非再生可能資源は有限です。一度失えば二度と戻りません。多くの非再生可能資源は枯渇が進み、近い将来に尽きると予測されています。例えば、現在の採掘ペースが続けば、世界の石油埋蔵量は40〜50年で枯渇するとの試算があります。

天然資源の枯渇を抑えるには、可能な限り再生可能資源を使用すべきです。プラスチックの世界では、石油由来のペトロプラスチックではなく、バイオプラスチックを選ぶことを意味します。ペトロプラスチックは非再生可能な原油から作られますが、バイオプラスチックは再生可能なバイオマスや天然副産物から部分的または完全に作られ、化石燃料由来のものより環境に優しいです。バイオプラスチックの一般的な原料には、わら、おがくず、コーンスターチ、木材チップ、植物油脂などがあります。

バイオベースプラスチックは生分解性だと勘違いされがちですが、必ずしもそうではありません。例えば「ドロップイン・バイオプラスチック」のバイオPETは、化学的に化石燃料版と同一で、バイオマス由来なだけなので生分解性はなく、リサイクル可能なだけです。再生可能・非再生可能どちらの資源由来であっても、リサイクル含有率の高いプラスチックを使えば、バージン材の必要量を減らし、生産をより持続可能にできます。

リサイクル材料

リサイクル材で製造すれば、元の材料の寿命を延ばせるため、バージン材の調達量を減らせます。材料コストの削減にもなり、製品全体の持続可能性を大きく改善できます。バージンプラスチックの代わりにリサイクルプラスチックで1トンの製品を作ると、1.6トンのCO2排出を防ぎ、石油5バレルを節約できます。

金属はリサイクル時に劣化しませんが、多くのプラスチックは容易にリサイクルできないか、数回リサイクルすると物理特性が大きく低下します。そのため、リサイクル材とバージン材をブレンドして許容特性を維持するケースが多いです。製造でよく使われるリサイクル含有プラスチックには、PET（ポリエチレンテレフタレート）とHDPE（高密度ポリエチレン）があります。

製品のエンド・オブ・ライフを理解する

材料の調達元だけでなく、製品の寿命が尽きたときに何が起こるかも考える必要があります。材料は化学組成によって、生分解性、堆肥化可能、リサイクル可能、それらの組み合わせ、またはどれでもない、に分類されます。材料評価の際はこれらの違いを理解することが重要です。

生分解性プラスチックと堆肥化可能プラスチック

これらはしばしば混同されますが、堆肥化可能性と生分解性は別物です。すべての堆肥化可能プラスチックは生分解性ですが、すべての生分解性プラスチックが堆肥化可能なわけではありません。TPS（サーモプラスチックデンプン）、PBS（ポリブチレンサクシネート）、PCL（ポリカプロラクトン）などの堆肥化可能プラスチックは、土壌を豊かにする有機元素や栄養分に分解されます。生分解性プラスチックは自然に分解されて環境を害しませんが、必ずしも有機元素まで分解されるとは限りません。

生分解性プラスチックは、酸化生分解性（酸化で分解）と加水分解生分解性（加水分解で分解）の2グループに分けられます。加水分解生分解性プラスチックの方が分解が速い傾向がありますが、通常は産業堆肥化が必要です。酸化生分解性プラスチックは、加水分解型に比べて安価で加工しやすく、機械的特性に優れます。

堆肥化可能製品もすべてが同等ではありません。家庭堆肥化可能製品は、一般家庭や裏庭の堆肥の条件・温度で分解されます。一方、産業堆肥化用プラスチックは、持続的な高温、炭素・窒素豊富な材料の存在、十分な通気などが必要で、合理的な期間で分解されます。

例えばPLA（ポリ乳酸）は136度以上でしか分解しないため産業堆肥化が必要ですが、PHA（ポリヒドロキシアルカノエート）は家庭で分解可能です。PHAは高価で製造により多くのエネルギーを要しますが、適切な堆肥化施設への廃棄をエンドユーザーに依存しないため、堆肥化される確率が高まります。産業堆肥化用プラスチックを選ぶ場合、適切な廃棄をどう促進するかを検討する必要があります。明確なラベリングや回収プログラムの導入を検討してください。

リサイクル可能な材料

生分解性オプションが調達できない場合、次善はリサイクル可能なプラスチックです。一般に、熱可塑性プラスチックは熱硬化性プラスチックよりリサイクルしやすく、繰り返し溶かして成形できます。

最も一般的にリサイクルされるプラスチックには、プラスチックの種類とリサイクル性を示すリサイクル番号が割り当てられています。番号が小さいほどリサイクルしやすく、大きいほど困難です。一般的にリサイクルされるプラスチックには以下があります：

1. PET / PETE — ポリエチレンテレフタレート（PET）。軽量でリサイクルしやすく、包装、ペットボトル、衣料、中綿、ロープなどに使用。
2. HDPE — 高密度ポリエチレン。耐薬品性があり、リサイクルしやすい。
3. PVC / V — ポリ塩化ビニル（PVC）。剛性のある熱可塑性プラスチックで、中程度にリサイクル可能。
4. LDPE — 低密度ポリエチレン。中程度にリサイクル可能。
5. PP — ポリプロピレン。タフで耐薬品性があり、リサイクル可能。
6. PS — ポリスチレン。中程度にリサイクル可能。
7. その他 — #7プラスチックはリサイクル不可。

製品に適切なリサイクル番号を表示すれば、エンドユーザーがどのプラスチックがリサイクル可能か、どう廃棄すべきかを理解しやすくなります。リサイクル番号は製品本体に（CNC加工やレーザー彫刻で文字を刻むなど）、またはタグや取扱説明書などで消費者に伝える必要があります。ほとんどの路傍回収プログラムは番号の小さいプラスチックを受け入れますが、番号の大きいものは受け入れない自治体もあり、特別なプログラムでのリサイクルが必要です。

明確なラベリングに加え、回収プログラムを設けることで材料寿命を延ばせます。郵送回収プログラム、下取りプログラム、無料回収拠点の設置などを検討してください。

アディティブ製造におけるサステナビリティ

より持続可能な3Dプリント材料を取り入れたい場合、いくつかの選択肢があります。FDM（溶解積層法）技術を使用する場合、リサイクルまたはバイオベースのプラスチックフィラメント（牡蠣や小麦ベースのFrancofilフィラメントなど）や、粉砕したプラスチックチップを直接溶かすペレットベースのエクストルーダーを検討できます。

また、HP Multi Jet Fusionのような生産システムでは、ビルドから出た余剰パウダーの大半をバージンパウダーと混ぜて再利用できるようにすることで、環境フットプリントの最小化に取り組んでいます。未回収パウダーやスクラップ部品をリサイクルして射出成形用ストックを作ることも可能です（フォードの生産部品で実績あり）。

アディティブ製造のサステナビリティにはまだ道半ばですが、多くの企業が革新と改善に取り組んでいます。新しい持続可能な材料も常に開発されており、藻類・海藻ベースのフィラメント、大豆ベースのFilaSoyなどがあります。Forustは廃棄おがくずとバイオベースのリグニンを使って木材を3Dプリントします。自社の用途に合う市販オプションを調べ、材料プロバイダーにサステナビリティの進捗を問い合わせる価値があります。

射出成形とキャストウレタンにおけるサステナビリティ

射出成形とウレタン鋳造では、リサイクル含有材料の使用やリグラインド（射出成形工程のスクラップを再投入）が一般的な廃棄物削減オプションです。また、選択したプラスチックのバイオベース代替品（サトウキビ由来のPE、トウモロコシ由来のバイオPC、バイオPETなど）があるか調べる価値があります。ヘンプ、ココナッツ殻、米殻、藻類などの持続可能な充填材を選ぶこともできますが、部品のリサイクル性を損なわないよう注意が必要です。

グリーン材料使用の主要課題

グリーン材料は環境に優しいですが、使用には課題があります。リサイクルプラスチックを例に取ると、バージンプラスチックより分子構造が弱く、破損しやすい傾向があります。耐薬品性、耐衝撃性、耐極端温度性も劣る場合があり、消費者がバージンプラスチック製品より早く買い替えを迫られる可能性があります。また、一般的なプラスチックのバイオベース版など、持続可能な代替材は石油由来品より高価なことが多く、市販の持続可能な選択肢は一般的に少ないです。この分野でのイノベーションを推進し、材料プロバイダーに有害性の低い材料の開発・提供を促すことが重要です。

Fast Radiusで持続可能な材料を選ぶ

次のプロジェクトの材料を選ぶ際、特にサステナビリティを考慮すると検討事項は多岐にわたります。現在、製造には多くの持続可能な材料がありますが、生分解性、堆肥化可能、リサイクル可能、またはまったく異なる特性が必要か判断するのは容易ではありません。経験豊富な製造パートナーがサポートします。

Fast Radiusとパートナーシップを結べば、専門家チームが材料選定をガイドし、プロジェクトに最適な決定をサポートします。今すぐお問い合わせください。Fast Radiusチームからさらなるサステナビリティベストプラクティスをお届けします。