LIFE CYCLE ANALYSIS OF CONVENTIONAL MANUFACTURING TECHNIQUES: DIE CASTING

本稿は、マサチューセッツ工科大学（Massachusetts Institute of Technology）発行の論文「LIFE CYCLE ANALYSIS OF CONVENTIONAL MANUFACTURING TECHNIQUES: DIE CASTING」に基づいています。

1. 概要:

• 論文名: LIFE CYCLE ANALYSIS OF CONVENTIONAL MANUFACTURING TECHNIQUES: DIE CASTING
• 著者: Stephanie Dalquist, Timothy Gutowski
• 発行年: 2004年 (12月12日)
• 発行学術誌/学会: Massachusetts Institute of Technology (Working Draft LMP-MIT-TGG-03-12-09-2004)
• キーワード: die casting, life cycle analysis, environmental impact, aluminum high-pressure die casting, energy analysis, metal preparation, die preparation, secondary aluminum, material byproducts, VOC emissions.

2. 要旨:

集計された国内データと代表的な機械特性に基づいたダイカストのシステムレベルの環境分析は、環境影響が考慮される設計および製造の決定に適用できます。プロセスのライフサイクルを調べることにより、金属成形プロセスの環境影響、ならびに金属準備や金型準備などの関連プロセスの影響を考慮することが可能です。アルミニウム高圧ダイカストへの重点は、業界の現状とその環境フットプリントを反映しています。エネルギー分析は、二次アルミニウム使用の明確かつ重要な環境上の利点を明らかにします。材料副産物の分析は、ある分野での改善が別の分野の犠牲を伴う、より複雑な解決策を示します。

3. 緒言:

ダイカストは、短いサイクルタイムで高い寸法精度と良好な表面仕上げを持つニアネットシェイプの部品を製造するために使用される製造プロセスです。最も一般的にはアルミニウムである溶融金属が、高圧下で再利用可能な鋼製金型（ダイ）のキャビティに強制的に送り込まれます。金属は、空気がベントを通って逃げる間に供給システムを通って駆動されます。完全な部品が鋳造されるように、キャビティをオーバーフローさせるのに十分な金属が必要です。充填されると、凝固中に金型への圧力が増加します。金型の半分が分離され、部品が取り出されます。
ライフサイクル分析に含める必要がある製造プロセスの補助機能には、金型（ダイ）準備、金属準備、および仕上げが含まれます（Figure 1）。金型準備には、金型の機械加工と各鋳造のための準備が含まれます。金型は多くの鋳造に再利用できますが、鋳造間では離型を容易にするために再潤滑する必要があります。一方、装入金属は溶解され、酸化された金属はスクラップとして除去されます。鋳造後に部品が取り出されると、少なくとも供給システムの痕跡とバリを除去するために、ある程度の機械加工とクリーニングを行う必要があります。仕様を満たすために、他のさまざまな処理を行うことができます。
製造プロセスのライフサイクルインベントリの一環として、鋳造工場を通るエネルギーと材料の流れを考慮に入れる必要があります（Figure 2）。ダイカストは、大量のエネルギーだけでなく、石油系潤滑剤や冷却水などの材料も使用します。

4. 研究概要:

研究テーマの背景:

ダイカストは、特にアルミニウムを用いたニアネットシェイプの金属部品を製造するための広範な製造プロセスであり、高い寸法精度と良好な表面仕上げを提供します。金型準備、金属準備、仕上げなどの必須の補助機能を含むこのプロセスは、エネルギーと材料の消費により、顕著な環境フットプリントを有しています。本研究は、その産業上の普及と関連する環境問題の観点から、アルミニウム高圧ダイカストに焦点を当てています。

先行研究の状況:

本論文は、集計された国内データと代表的な機械特性を利用したダイカストの包括的なシステムレベルの環境分析が、環境への配慮を設計および製造の決定に統合する上で価値があることを示唆しています。プロセスの部分的なデータポイントや分析は存在していましたが、本研究はより包括的なライフサイクルの視点を提供することを目的としています。

研究目的:

本研究の主な目的は、ダイカストプロセスのシステムレベルの環境分析を実施することです。ライフサイクル全体を調査することにより、本研究は、中核となる金属成形プロセスおよび金属・金型準備などの関連活動の環境影響を定量化することを目指しています。主要な目的は、エネルギー分析を実施し、二次アルミニウム使用の環境上の利点を強調することです。さらに、本研究は、ある分野での改善が他の分野に悪影響を及ぼす可能性がある複雑なトレードオフを理解するために、材料副産物を分析します。

核心的研究内容:

研究の核心は、アルミニウム高圧ダイカストを中心としたライフサイクル分析です。これは、プロセスの主要段階におけるエネルギー消費と材料副産物に焦点を当てた環境影響を調査します。

• 金型製造および準備（潤滑を含む）
• 金属準備（溶解、スクラップ対バージン材の使用、ドロス形成を含む）
• 鋳造作業自体（機械のエネルギー使用、冷却）
• 仕上げプロセス
• リサイクルと廃棄物発生
  本研究はまた、一般的な業界の動向とその潜在的な環境への影響も調査します。

5. 研究方法論

研究設計:

本研究は、ダイカストプロセスのシステムレベルの環境評価を実施するために、ライフサイクル分析（LCA）フレームワークを採用しています。目的は、エネルギーと材料の流れを考慮に入れた製造プロセスのライフサイクルインベントリを開発することです。

データ収集・分析方法:

分析は、「集計された国内データと代表的な機械特性」に基づいています。データは、米国環境保護庁（EPA）、米国国勢調査局、エネルギー情報局（EIA）、業界固有の報告書（例：Roberts, 2003a; Bergerson, 2001）、および学術文献（例：Chapman, 1983）を含むさまざまな情報源から編集されました。方法論には、ダイカストのライフサイクルのさまざまな段階におけるエネルギー入力、材料消費（Figure 2に示される）、排出物（VOC、HAP、温室効果ガスなど）、および副産物の定量化が含まれます。これには、「エネルギー分析」および「材料副産物分析」が含まれます。

研究テーマと範囲:

本研究は主に「アルミニウム高圧ダイカスト」に焦点を当てています。範囲は、高圧ダイカストを行うアルミニウム鋳造工場内の活動を対象とし、これらが外部委託されている場合でも金型製作と仕上げを含みます。調査されたライフサイクル段階は、原材料の考慮事項（バージンアルミニウム対二次アルミニウム）から、「金型準備」、「金属準備」、「鋳造」、「仕上げ」、「QA/出荷」（Figure 1に概説）まで及び、また「リサイクルと廃棄物」管理と「業界動向」にも対応しています。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• ダイカスト鋳造工場内の主要機能（金型準備、金属準備、鋳造、仕上げ）は、最終製品1キログラムあたり約7.9 MJのエネルギーを消費します。発電および配電中のエネルギー損失を考慮に入れると、この総エネルギー消費量は14.9 MJ/kgに上昇します（Table 3）。
• 鋳造最終製品1キログラムあたりの主要な大気排出量は、CO2が850～997グラム、SOxが3.35グラム、NOxが1.8グラムと推定されます（Table 3）。
• 二次アルミニウム（スクラップ）の使用は、大きな環境上の利点をもたらします。製造用に二次アルミニウムを準備するために必要なエネルギーは16 MJ/kgであり、バージンアルミニウムに必要な270 MJ/kgよりも大幅に低くなっています（Chapman, 1983, p.4引用）。
• 金型準備および鋳造プロセスで使用される石油系潤滑剤は、揮発性有機化合物（VOC）排出の主要な発生源として特定されています（Figure 3）。水性潤滑剤はVOC排出を削減できますが、有害大気汚染物質（HAP）排出の増加に関連する可能性があり、環境上のトレードオフが生じます。
• 金属溶解は金属準備においてエネルギー集約的な部分であり、ガス燃焼式反射炉が一般的です。平均的な溶解炉は約40%の効率で稼働しています（p.3）。
• 鋳造機（通常、アルミニウム合金用のコールドチャンバーマシン）および冷却水循環などの補助システムは、全体のエネルギー消費に大きく貢献しています。代表的な鋳造機は、鋳造金属1kgあたり約2.5 MJを使用し、冷却システムはさらに0.65 MJ/kgを追加します（p.4）。
• 材料副産物の分析は、しばしば「ある分野での改善が別の分野の犠牲を伴う」（要旨）複雑な状況を明らかにし、これは異なる種類の潤滑剤間のトレードオフによって例証されます。
• 業界の動向は、より大規模な鋳造工場への集約を示唆しており、これにより環境報告が改善され、より新しく効率的な技術への投資が促進される可能性があります。しかし、海外生産の増加は、環境基準が緩い可能性のある地域に環境負荷をシフトさせる可能性があるため、課題となっています（p.5）。

図表リスト:

• Figure 1. Major functions within the die casting process.
• Figure 2. Profile of major flows at a die casting foundry.
• Figure 3. Top TRI air releases for aluminum die casting SIC show high contribution of VOCs. The top air releases are metal compounds, cleaning fluids (ethylenes) or lubricants (glycol ethers). Source: US EPA, 1998.
• Figure 4. Metal distribution of US die casting in 2003. The total amount of die cast metal was 2.03 million tons. Source: Schifo and Radia, 2004.
• Figure 5. A typical cold-chamber die casting machine and its major elements. Adapted from Heine, 1967.
• Figure 6. A typical hot-chamber die casting machine and its major elements. Adapted from Heine, 1967.
• Figure 7. Output and Employment in the Manufacturing Sector. Source: US Congressional Budget Office, 2004.
• Figure 8. The number of small foundries has been decreasing at a greater rate than the number of large foundries, which have become a greater proportion of the US die casting industry.

7. 結論:

鋳造工場内では、ダイカストプロセスのさまざまな主要機能が1キログラムあたり約8 MJのエネルギーを消費し（Table 3）、また鋳造工場からさらに1キログラムの温室効果ガスを排出します。
ダイカスト部品に対する現在および増大する需要を考えると、将来に向けて賢明な製造選択を行うためには、プロセスの環境負荷を理解する必要があります。絶対数は業界の現状を示していますが、他の製造オプションと比較してプロセスを検討する場合に、より価値があります。1つのコンポーネントの調査結果を分析することで、プロセスの改善や環境要因に関する設計上の意思決定の改善につながる可能性があります。

8. 参考文献:

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9. 著作権:

• 本資料は、「Stephanie Dalquist, Timothy Gutowski」による論文「LIFE CYCLE ANALYSIS OF CONVENTIONAL MANUFACTURING TECHNIQUES: DIE CASTING」に基づいています。
• 論文の入手先: 該当なし (Working Draft LMP-MIT-TGG-03-12-09-2004, Massachusetts Institute of Technology. 本文書にDOIは提供されていません)。

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