積層造形
3Dプリントコンクリートは環境を救えるか？
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コンクリートは私たちの周りに常に存在しています。住宅、オフィス、学校の建物から店舗、ダム、橋、歩道、道路に至るまで、コンクリートは私たちが日常的に使用する構造物の建設に役立っています。
決して新しい素材ではありません。実際、コンクリート構造物の最古の記録は紀元前6500年のシリアとヨルダンの地域に遡ります。その後、ローマ人が建設にコンクリートを広範に使用しました。そして、何千年も経った今でも、これらの構造物の多くは今なお高くそびえています。
年々、コンクリートの使用は拡大し続け、2021年の世界コンクリート市場規模は$687.2 billionでした。2026年までに$821.6 billionに成長すると予測されており、コンクリートが私たちの生活に果たす役割を示しています。
この拡大は建設業界の成長と、世界中の新しい建設プロジェクトへの投資増加によって牽引されています。経済成長と急速な都市化も、住宅・商業複合施設への需要上昇に寄与しています。都市が拡大すればインフラの必要性も増し、それに伴いコンクリートの需要も増大します。
セメントへの継続的な需要があることは分かっていますが、なぜそれほどまでに人気があるのでしょうか？そして、すべてが良いことなのでしょうか？さあ、見てみましょう！
コンクリート：世界が抱える危険な必要性
コンクリートがなぜそれほど価値があるのかを理解する前に、まずその正体を見てみましょう。コンクリートはセメント（または石灰）、水、そして砂、砂利、砕石などの自然または人工の粒子からなる混合物です。
ここで、カルシウム、鉄、シリコン、アルミニウムなどを含む製造された混合物であるセメントが、コンクリートに硬化特性を与える結合材となり、そして水がセメントを活性化させて密度の高い材料を形成します。
この複合材料が価値ある理由は、可塑性（新しく混合されたコンクリートがほぼ任意の形に成形できる能力）と耐久性（長年にわたり持続できること）です。この手頃な材料は、さまざまな建設ニーズに合わせてさらにカスタマイズすることが可能です。
コンクリートの他の魅力的な特性として、扱いやすさ、強度、そして重荷や圧縮応力だけでなく、過酷な気象条件や地震・ハリケーンといった自然災害にも耐える能力があります。
さらに、コンクリートは熱を保持し、耐火性があり、損傷が発生した場合でも修復が容易です。これらすべての特性がセメントを極めて価値ある製品にし、その使用が急増しています。
コンクリートの使用例は建設業界で多岐にわたります。実際、コンクリートは水に次いで世界で最も広く使用されている建設材料です。ダム、橋、ハイウェイ、空港、道路、運河、貯水池、舗装はもちろん、住宅、商業複合施設、その他の荷重を支える構造物にも使用されています。
要するに、コンクリートは建設における基礎的な材料であり、私たちの周囲のインフラを形作る上で重要な役割を果たしています。
しかし、コンクリートが利益だけをもたらすわけではありません。実際、非常に危険です。
まず、セメントは二酸化炭素（CO2）を16億メトリックトン排出しており、これは世界のCO2排出量の約8％に相当します。建設セクターがセメントに大きく依存していることが、この膨大な炭素フットプリントをさらに悪化させています。
一方、普通ポルトランドセメント（OPC）の製造は、世界の人為的CO2排出量の5％から8％を占めています。建設関連のすべての活動に拡大して考えると、最新の研究は、エネルギー関連CO2排出量のほぼ40％がこのセクターから来ており、世界の最終エネルギーの36％を消費していることを示しています。
これは極めて懸念すべきことで、CO2排出量は記録的な37.41 GtCO2に達すると予測されています。CO2排出は地球温暖化の主因でもあり、IPCCによれば、現在のペースで進めば2030年から2052年の間に前産業時代比で1.5°C上昇すると予想されています。
コンクリートの環境への影響を考えると、年間消費量は300億トンに達し、今後も永続的に増加すると予想されます。したがって、イノベーターから組織、政府に至るまで、全員がこの問題に正面から取り組むことが重要です。
3Dプリンティングで建設を進化させる
上で述べたように、コンクリートは必要悪です。いくつかの大きな利点があり文明に不可欠ですが、すでに森林伐採、気候変動、生物多様性の喪失など多くの問題に直面している地球にとっては非常に有害です。
コンクリートを混ぜれば、事態はさらに悪化します。しかし、この人気の建設材料の有害な影響に対処する方法があるとしたらどうでしょうか？
実際、コンクリートは世界の複雑で高度なニーズに応えるべく進化しています。前述の通り、グラフェンやヘンプなどの先進素材が建設材料にますます利用されており、石灰石を置き換えるか化石燃料ベースの石灰石を使用することで、炭素フリーセメントも製造されています。
もう一つの解決策は3Dプリンティングです。その通りです！芸術、家具、その他の消費財、さらには法医学、義肢、手術に使用されている同じ手法が、建設のゲームチェンジャーにもなっています。
3Dプリンティング（積層造形）とは、デジタルファイルから層状に材料を積み上げて三次元物体を作る技術で、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、イノベーション促進、持続可能性といった利点により大きな注目を集めています。
この技術は現在、建設にも活用されており、実はそれ自体は新しいことではありません。3Dプリンティングは数十年前に建設で初めて使用されました。しかし、近年では3Dプリンティングの利用が大幅に増加し、プロセスを加速し、材料使用を最適化し、複雑なデザインやカスタマイズ構造を探求し、遠隔建設を可能にし、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や、危険な作業の手作業が減少することで職場の危険性が大幅に低減されることが含まれます。
今年、テキサス州で世界最大の3Dプリント住宅街が建設2年目にして完成が近づいているのを目にしました。このプロジェクトは3Dプリント建設会社ICONが手掛けています。
民間企業であるICONは住宅の3Dプリントだけでなく、防衛や宇宙外建設にも関わっています。10年前、ICONは総額$451 millionを調達し、評価額は約20億ドルに上昇しました。同社はNASAと契約し、月のアルテミス計画の一環として、着陸パッドやシェルター、その他の構造物を建設しています。
2018年、同社は米国で許可された最初の350平方フィートの3Dプリント住宅を建設し、わずか2日で完成させました。この住宅はコンクリートで建てられましたが、ICO（実際はICON）CEOのジェイソン・バラードは次のように述べています：
“それは地球上で最も耐久性の高い材料の一つです。”
テキサスのコミュニティ向けに、同社はVulcanプリンターを使用しています。このプリンターは通常のデスクトップ3Dプリンターに似ていますが、層ごとにパイプで造形します。Vulcanプリンターは幅が45フィート（約13.7メートル）で、重量は4.75トンです。
プロセスとしては、コンクリート粉末を砂、水、その他の添加剤と混合し、プリンターにポンプで送ります。混合物はノズルからブラシへと押し出され、事前にプログラムされたパスに従って層ごとに積み上げられます。
ロボットプリンターは、世界最大の3Dプリントコミュニティと称される場所で100棟の3Dプリント住宅を建設しました。3Dプリンティングは高速で、コストが低く、建設材料の廃棄を最小化し、必要な作業員も少ないため、同社によれば「業界市場に多くの効率性をもたらしている」と述べています。
しかし、これはまだ始まりに過ぎません。3Dプリンティング建設市場の成長が予測されていることがその証拠です。昨年は55億ドルと評価されていた世界の3Dプリンティング建設市場は、年平均成長率105.8％で成長し、2032年までに驚異の$3.3 trillion by 2032に達すると予測されています。
これらの数字は最初は驚くべきものに思えるかもしれませんが、前回の記事で共有したように、3Dプリンティングは住宅不足という深刻な問題の潜在的な解決策となり得るため、兆ドル規模の目標は現実的な可能性です。
3Dプリンティング建設への関心が高まっていることから、この技術を活用して建設市場をより良い方向へ変えることは理にかなっています。そして、シンガポールの南洋理工大学（NTU）の研究者たちが実際に取り組んでいることです。
研究者たちはさらに一歩踏み込んで、コンクリート自体を3Dプリントしました。そのために、炭素を捕捉する3Dコンクリート印刷方法を開発し、建設業界の環境影響を削減する新たな手段を示しました。
3Dプリンティングが住宅不足の解決に役立つかどうかを確認するには、こちらをクリックしてください。
CO2を捕捉する3Dプリントコンクリート
今月初め、NTUの科学者たちは「インシチュCO2および蒸気統合3Dコンクリート印刷による炭素捕捉と貯留」についての研究成果を発表しました。
この研究は、材料使用量、労働要件、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手法を詳述しています。
また、3Dコンクリート印刷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％削減する可能性があると示唆されています。これらの環境利益は、建設プロセスの効率化と同等に重要です。
しかし、最新の研究が行っているように、コンクリートにCO2を混合することは以前にも行われており、材料の品質向上とセメントの環境負荷低減を目的としていました。
初期の研究では、CO2と直接バッチ混合したり、炭酸化チャンバーでCO2に曝露したりすることで、コンクリートの機械的特性が向上し、「炭酸化シェル」を形成することが示されています。
過去の研究では、CO2とモルタルを混合したわずか30分で、貫通抵抗が約15倍に増加し、炭素吸収率は最大1.16％に達したと報告されています。加速炭酸化硬化（ACC）を調整すると、炭素吸収率は1.98〜25.5％となります。
3Dコンクリート印刷に関する研究は主に、炭素フットプリント削減のためのグリーンセメント混合物の設計に焦点を当ててきましたが、最新の研究では、いくつかが処理技術の進歩、特に大量炭素捕捉・貯留（CCS）能力の向上に取り組んでいることが指摘されています。
セメント系材料の炭酸化に関する研究は、特に深さに対する焦点が最小限であることが、スケール実装の妥当性に懸念を抱かせています。さらに、チャンバー内CCSソリューションは、ハードウェアとエネルギー消費の面で制限があり、3DCPに適用すると、スケーラブルで自動化された現場建設の利点が損なわれます。
このため、従来の硬化技術を超える人工炭酸化プロセスの開発が必要です。
その結果、NTUの研究者は二酸化炭素の捕捉効率を評価する新しいプロセスを開発しました。
新たに開発された技術は、二段階の押出しベースシステムです。第一段階ではCO2と蒸気を混合コンクリートに注入します。混合物は直接CO2を取り込み、コンクリート構造内に貯蔵します。CO2と蒸気は産業プロセスの副産物として捕捉されます。
この新アプローチは、バルク炭素吸収率が38.2％増加したことを示し、3Dプリントコンクリートによる脱炭素化建設のもう一つの方法を提供します。
専用のプリント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規制注入を可能にし、環境持続可能性の課題に取り組むと同時に、オンデマンド設定要件や、3Dコンクリート印刷に適合するCCSソリューションの不足という重要な問題にも対処します。
新しい方法はセメントの炭素フットプリントを削減するだけでなく、コンクリートの機械的特性も向上させることが示されています。これにより、従来の3Dプリントコンクリートと比較して構造に大きな強度をもたらします。
研究論文によれば、CO2と蒸気の統合により、3D印刷性が最大50％、曲げ強度が45.3％、圧縮強度が36.8％向上しました。
研究者は、CO2‑蒸気統合印刷と屋外硬化に曝露されたサンプルが最も高い炭素吸収率を示したと結論付けました。研究者によれば：
“提示されたソリューションは、脱炭素化建設への有望な道筋を提供すると同時に、従来の閉鎖硬化法を超えるCCSの実行可能な選択肢を拡大します。”
チームはさらに、印刷設定、混合設計、排ガスの注入の最適化が、純粋な二酸化炭素原料の無駄を減らす将来の研究領域として挙げられると指摘しました。
3Dプリンティング分野で投資可能な企業
次に、2024年に175億ドルと評価され、今後5年間で年平均成長率16.4％で374億ドルに成長すると予測されている、3Dプリンティング市場に関わる上場企業を見てみましょう。
1. Stratasys Ltd.
Stratasysは3Dプリンティング分野で人気のある名前で、複数のセクターにわたるソリューションを提供しています。同社の技術は3Dプリンティング分野の進歩に貢献しています。
時価総額は6億8950万ドルで、現在の株価は9.66ドル（今年は32.35％下落）です。同社のEPS（TTM）は-1.32、P/E（TTM）は-7.30です。
2024年第3四半期に、Stratasysは1億4000万ドルの収益を報告しました。これは前年同四半期の1億6210万ドルから増加したものです。この数字により、同社の消耗品収益は8四半期連続で年々成長しており、同社は「プリンターの利用率が引き続き強いことを反映している」と述べました。
SSYS 価格チャート
StratasysのGAAP粗利益率は44.8％に改善し、GAAP純損失は2660万ドルでしたが、非GAAP純利益は黒字化し始めました。運転資金として450万ドルの現金が使用されたと報告され、年初来の営業キャッシュフローはプラスのままです。
これらの好調な数字を受けて、Stratasysは2024年通年の見通しを引き上げました。その結果、収益は5億8000万ドル、非GAAP純利益は500万ドル、資本支出は2000万ドルとなりました。
“コスト最適化と成長性の高い機会に注力することで、当社の変革を着実に進めています。”
– 当時のCEO、ヨアブ・ゼイフ博士のコメント
彼はさらに、同社の主要プラットフォームであるF3300が大きな注目を集めており、医療、自動車、航空宇宙などの主要ターゲットセクターへの展開を続けていると述べました。
ゼイフ博士によれば、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できるとしています。
“市場環境が改善すれば、2025年に収益成長、収益性、キャッシュフローの増加を実現し、蓄積された需要に応える体制が整っています。”
– ゼイフ博士
Stratasys Ltd.への投資についてすべて知るには、こちらをクリックしてください。 (SSYS )
結論
コンクリートは何世紀にもわたり人類の発展の礎であり続けてきましたが、危険性も伴います。コンクリートの環境影響は深刻な懸念となっており、より良い解決策を見つける緊急の必要性が生まれています。NTU研究者の最新技術は、正しい方向に進む開発の一例です。付加製造の原理を活用することで、3Dコンクリート印刷は従来の作業を再定義し、持続可能性を促進しています。
世界が都市拡大と気候変動に苦しむ中、3Dコンクリート印刷のようなイノベーションは、建設の増大かつ複雑なニーズに応えつつ、有害な影響を軽減する手助けができます。スケーリングや標準化に課題は残りますが、時間とともに技術が向上し広く採用されれば、3Dプリンティングは将来のインフラ形成に重要な役割を果たすことができるでしょう。
