積層造形
3Dプリンティングコンクリートが環境を救うことができるか？
コンクリートは私たちが毎日利用する構造物を建てるために不可欠な材料です。家、事務所、学校の建物から店舗、ダム、橋、歩道、道路まで、コンクリートは私たちが利用する構造物を建てるために重要な役割を果たしています。
コンクリートは新しい材料ではありません。実際、コンクリート構造物の最も古い記録は、シリアとヨルダン地域で紀元前6500年まで遡ります。ローマ人も建設でコンクリートを広く利用しました。現在、数多くのこれらの構造物はまだ立っています。
コンクリートの使用は年々増加しており、2021年の世界のコンクリート市場規模は$687.2億に達しました。さらに、2026年までに$821.6億に成長することが予想されています。これは、コンクリートが私たちの生活で果たす役割を示しています。
この成長は、建設業の成長と世界中での新しい建設プロジェクトへの投資の増加によって推進されています。経済成長と急速な都市化も、世界中での住宅と商業施設の需要の増加に貢献しています。都市が成長するにつれて、インフラストラクチャーの需要も増加し、コンクリートの需要も増加します。
コンクリートが長年にわたって需要が続いていることはわかっていますが、コンクリートが人気がある理由と、それがすべて良いかを知るために、詳しく見てみましょう!
コンクリート：世界の危険な需要
コンクリートが何であるかを理解する前に、コンクリートが何であるかを見てみましょう。コンクリートは、セメント（または石灰）、水、そして砂、砕石、または砕れた岩などの集合体である粒子からなる混合物です。
ここで、セメントは、カルシウム、鉄、ケイ素、アルミニウムなどの成分からなる人工の混合物であり、コンクリートに硬化性を与える結合材料です。水はセメントを活性化して密度の高い材料を形成します。
コンクリートが貴重な材料である理由は、その特性、たとえば、生コンクリートがほとんどどのような形にも成型できる可塑性と、数多くの年間持続することができる耐久性です。この費用対効果の高い材料はさらに、さまざまな建設需要に応じて調整することができます。
コンクリートの他の魅力的な特性には、使用の容易さ、強度、そして重い荷重や圧縮ストレスだけでなく、厳しい天候条件や地震やハリケーンなどの自然災害にも耐える能力があります。
コンクリートは熱を保持し、火に対する耐性があり、損傷が発生した場合は簡単に修理することができます。これらの特性がコンクリートを非常に貴重な製品にしているため、その使用量は急増しています。
コンクリートの使用例については、建設業界ではさまざまな用途があります。コンクリートは、水に次ぐ、世界で最も広く使用されている建設材料です。ダム、橋、高速道路、空港、道路、運河、貯水池、舗装、住宅、商業施設、その他の荷重を支える構造物の建設に使用されます。
簡単に言えば、コンクリートは建設における基本的な材料であり、私たちの周りのインフラストラクチャーを形作る上で重要な役割を果たしています。
しかし、コンクリートには利点のみがあるわけではありません。実際、コンクリートは非常に危険です。
まず、セメントは16億メトリックトンの二酸化炭素（CO2）を生み出し、約8%の世界のCO2排出量に相当します。建設業界がセメントに大きく依存しているため、その炭素フットプリントはさらに悪化しています。
一方、普通ポルトランドセメント（OPC）の製造は、人為的なCO2排出量の5%から8%を占めています。建設関連活動全体に Extrapolated すると、最新の研究は、エネルギー関連のCO2排出量の約40%がこのセクターから来ていることを示しており、世界の最終エネルギーの36%を消費しています。
これは非常に心配なことです。CO2排出量は記録的な高さの37.41 GtCO2に達することが予想されています。CO2排出量は、気候変動の主な原因であり、IPCCによると、現在の気候変動の速度で、2030年から2052年の間に、先工業化時代の水準より1.5 °C上昇することが予想されています。
コンクリートの環境への影響を考えると、コンクリートの年間消費量は30億トンに達し、増加することが予想されています。したがって、イノベーター、組織、政府がこの問題に取り組むことが重要です。
3Dプリンティングによる建設の進歩
コンクリートは、上で述べたように、必要な悪であるため、利点があり、文明にとって重要ですが、地球に有害です。
コンクリートを混ぜて、既存の問題にさらに悪影響を与えることは、森林破壊、気候変動、生物多様性の喪失など、既に地球が直面している問題にさらに悪影響を与えることになります。
しかし、コンクリートの有害な影響に対処する方法はありますか?
コンクリートは、世界の複雑で先進的な需要に応えるために進化しています。先ほど述べたように、グラフェンやヘンプなどの先進材料が建設材料に増加して利用されています。石灰岩や化石燃料ベースの石灰岩を置き換えることで、炭素フリーのセメントも生産されています。
もう1つの解決策は、3Dプリンティングです。そう、芸術、家具、消費者製品、法医学、義肢、手術などを作成するために使用されている同じ方法が、建設業界でもゲームチェンジャーとなっています。
3Dプリンティングまたは加法製造は、デジタルファイルから3次元オブジェクトを作成するために材料の層を積み重ねるプロセスであり、迅速なプロトタイピング、カスタマイズ、コスト削減、材料廃棄物の削減、イノベーションの促進、持続可能性などの利点により、注目を集めています。
このテクノロジーは現在、建設業界で利用されており、建設業界での3Dプリンティングの使用は新しいことではありません。3Dプリンティングは建設業界で数多くの年前に初めて使用されました。しかし、3Dプリンティングの使用は近年大きく増加し、プロセスを加速し、材料の使用を最適化し、複雑な設計とカスタマイズされた構造を探求し、リモートでの建設を促進し、安全性を向上させています。
3Dプリンティングの多面的な利点には、現場での建設によるサプライチェーンの短縮と、高リスク作業における手作業の必要性の減少による職場での危険性の減少が含まれます。
今年、テキサス州で世界最大の3Dプリンティングされた近隣が完成しました。2年前に建設が始まったこのプロジェクトは、3Dプリンティング建設会社のICONによって行われています。
民間企業であるICONは、住宅だけでなく、国防と宇宙での建設にも携わっています。 ICONは約10年前に4.51億ドルを調達し、評価額は約20億ドルに達しました。NASAは、 ICONと契約し、アーティミス・ムーン・エクスプロレーション・プログラムの一環として、月面のランディングパッド、シェルター、その他の構造物を建設しています。
2018年、ICONは米国で初めて許可された350平方フィートの3Dプリンティング住宅を2日間で建設しました。この家はコンクリートで作られ、ICOのCEOであるJason Ballardは次のように述べています。
“コンクリートは地球上で最も堅牢な材料の1つです。”
テキサス州のコミュニティでは、ICONは、バルカン・プリンターを使用しています。これは、通常のデスクトップ3Dプリンターと似ています。ただし、バルカン・プリンターは45フィート幅で、4.75トンの重量があります。
プロセスとしては、コンクリート粉末に砂、水、他の添加剤を混ぜてプリンターに送り込み、ノズルからコンクリート混合物を押し出して、予めプログラムされたパスに沿って層を積み重ねていきます。
ロボット・プリンターは、世界最大の3Dプリンティング・コミュニティと称する100の3Dプリンティング・ハウスを建設しました。3Dプリンティングは、建設時間の短縮、材料の無駄の削減、労働者の必要性の減少により、建設業界に多くの効率性をもたらしています。
これはただの始まりです。3Dプリンティング建設市場は去年550億ドルで、2032年までに3.3兆ドルに成長することが予想されています。
これらの数字は最初は信じられないかもしれませんが、3Dプリンティングは住房不足の深刻な問題に対する潜在的な解決策となる可能性があり、1兆ドルの目標は現実的です。
3Dプリンティング建設に対する大きな関心から、建設市場をより良くするためにこのテクノロジーを利用することが意味があります。シンガポールのナンヤン・テクノロジー大学（NTU）の科学者たちは、正にそれをしています。
研究者たちは、さらに一歩進んで、コンクリート自体を3Dプリンティングしました。そこで、炭素を捕獲する3Dコンクリート・プリンティング方法を開発し、建設業界の環境への影響を減らす新しい方法を示しました。
CO2を捕獲する3Dプリンティング・コンクリート
NTUの科学者たちは、この月、”3Dコンクリート・プリンティングにおけるCO2と蒸気のキャプチャと固定”という研究を発表しました。
研究では、材料の使用量、労働力の必要性、建設時間を削減することで、セメントの炭素フットプリントを大幅に削減することを目的とした革新的な方法が概説されています。
また、3Dコンクリート・プリンティングによる持続可能な開発は、世界のエネルギー使用量を最大5%削減することができると示唆されています。
これらの環境上の利点は、建設プロセスを合理化する能力と同等であると考えられています。
しかし、コンクリートにCO2を混合することは、以前から行われており、材料の品質を向上させ、セメントの悪影響を軽減することを目的としています。
初期の研究では、CO2と直接混合したり、生産中にCO2化カルボナシオン・チェンバーにコンクリートを暴露することで、コンクリートの機械的特性が改善されたことが示されています。
以前の研究では、モルタルをCO2と混合すると、半時間で15倍の浸透抵抗力と1.16%の炭素吸収が得られ、加速カルボナシオン・キュアリング（ACC）を調整すると、1.98〜25.5%の炭素吸収が得られたことが報告されています。
3Dコンクリート・プリンティングに関する研究は、主に炭素フットプリントを削減するための緑色セメント混合物の設計に焦点を当てていましたが、最新の研究では、特にそのバルク・キャプチャー・ストレージ（CCS）能力を向上させるための加工技術の進歩が考慮されていませんでした。
セメント質材料のカルボナシオンに関する研究、特に深さに関する研究の限られた焦点は、研究者によると、そのスケーラブルな実装が妥当性の懸念を引き起こす理由です。さらに、チャンバー封じ込め型CCSソリューションは、3DCPに適用された場合、ハードウェアとエネルギー消費の点で限界があります。その結果、スケーラブルで自動化された現場での建設の利点が損なわれます。
これにより、従来のキュアリング技術を超えた3Dコンクリート・プリンティング用の人工カルボナシオン・プロセスを開発する必要性が生じます。
その結果、NTUの研究者たちは、CO2を捕獲するための新しいプロセスを開発し、その有効性を研究しました。
新しく開発されたテクノロジーには、2段階の押出式システムが含まれます。最初のステップは、混合コンクリートにCO2と蒸気を注入することです。混合物は直接コンクリート構造内にCO2を組み込み、保存します。ここでのCO2と蒸気は、工業プロセスの副産物として捕獲されます。
この新しいアプローチでは、バルク・炭素吸収量が38.2%増加し、3Dプリンティング・コンクリートによって脱炭素化された建設を実現するためのさらなる方法を提供しました。
独自のプリンターヘッド・アタッチメントの設計は、ガス状および液体添加剤の制御された注入を容易にし、自動化された建設における重要な問題である環境の持続可能性への懸念に対処します。ただし、3Dコンクリート・プリンティングと互換性のあるCCSソリューションの欠如にも対処します。
新しい方法では、コンクリートの機械的特性が改善され、伝統的な3Dプリンティング・コンクリートよりも構造物に大きな強度がもたらされます。
研究論文によると、CO2と蒸気の統合により、3Dプリンティング性が最大50%、曲げ強度が45.3%、圧縮強度が36.8%増加しました。
研究者たちは、CO2-蒸気統合印刷と開放気候キュアリングに暴露されたサンプルが、最高の炭素吸収を示したと結論付けました。研究者によると:
“提示されたソリューションは、脱炭素化された建設に向けた有望な道筋を提供し、従来の封じ込め型キュアリング方法を超えたCCSのための実行可能な選択肢を拡大します。”
チームは、印刷構成の最適化、混合物の設計、純粋なCO2給料の浪費を減らすためのフルーガスの注入を将来の研究のための可能な分野として指摘しました。
3Dプリンティング・スペースの投資可能会社
ここで、3Dプリンティング市場に関与している上場企業を紹介します。3Dプリンティング市場は2024年には175億ドルに達し、次の5年間で16.4%の年間成長率で374億ドルに成長することが予想されています。この企業はセクターの進歩を牽引し、世界をより良くしています。
1. Stratasys Ltd. (SSYS )
Stratasysは3Dプリンティング・スペースで人気のある名前であり、複数のセクターでソリューションを提供しています。同社のテクノロジーは3Dプリンティング分野の進歩に貢献しています。
Stratasysの時価総額は6.895億ドルで、株価は9.66ドルで取引されており、今年は32.35%下落しています。同社のEPS（TTM）は-1.32で、P/E（TTM）は-7.30です。
2024年3月期のStratasysの財務成績は、1億4000万ドルで、前年同期の1億6210万ドルから増加しました。Stratasysは、これらの数字により、8四半期連続で消耗品の収益が前年比で増加しており、「プリンターの利用率が高い」と述べています。
(SSYS
)
StratasysのGAAP粗利益率は44.8%に向上し、GAAP純損失は2660万ドルで、非GAAP純利益は黒字化しました。Stratasysは、営業活動に450万ドルを使用し、年初来の営業キャッシュフローはまだプラスです。
これらの強い数字により、Stratasysは2024年の全年見通しを引き上げました。Stratasysは、5.8億ドルの収益、5700万ドルの非GAAP純利益、2千万ドルの資本支出を計上しました。
“コストの最適化と、高成長機会に焦点を当てることで、会社を変革することに成功しました。”
– CEO Dr. Yoav Zeif
Zeif氏は、Stratasysの主要プラットフォームであるF3300が多くの注目を集めていると述べ、同社はヘルスケア、自動車、航空宇宙などの主要ターゲット・セクターに進出を続けています。
Zeif氏は、同社の再構築計画により、来年から年間4000万ドルのコスト削減が実現する予定です。
“市場状況が改善したときに、収益の成長、利益、キャッシュフローを増やすことができるように、2025年に好調なパフォーマンスを披露する準備ができています。”
– Dr. Zeif
結論
コンクリートは数世紀にわたって人間の発展の基盤となりましたが、コンクリートには危険も伴います。コンクリートの環境への影響は深刻な懸念事項となっています。NTUの研究者たちが開発した最新のテクノロジーは、正しい方向に向かっている解決策の1つです。加法製造の原理を利用した3Dコンクリート・プリンティングは、従来の作業を再定義し、持続可能性を促進しています。
都市の拡大と気候変動に直面する世界は、建設の複雑で多面的な需要を満たすために、3Dコンクリート・プリンティングのようなイノベーションが必要です。スケーラビリティと標準化の課題は残っていますが、テクノロジーが進化し、広く採用されるにつれて、3Dプリンティングは明日のインフラストラクチャーを形作る上で重要な役割を果たすことになります。
