3Dプリントは材料から構造まで軽量製造を可能にする

出典：中関村オンライン

軽量化を実現するには、主に 3 つの方法があります。1つ目は、材料の最適な設計と適用、2 つ目は、製品構造の最適な設計、3 つ目は、高度な製造技術の開発と適用です。これら 3 つは相互に補完し合い、最終製品の軽量化を実現します。その中でも、製品構造の最適化設計と材料の最適化設計には、幅広い研究開発の余地があります。

3D プリントにより、材料から構造まで軽量製造が可能に 軽量素材は、製品の重量を軽減し、全体的な性能を向上させるために使用できる素材です。材料の軽量化とは、軽量の金属や非金属材料を使用しながら機械的性能要件を満たし、軽量化を実現する方法を指します。

現在の軽量素材の中で、鉄鋼は依然として優位な地位を保っていますが、鉄鋼素材の割合は年々減少しており、一方でアルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金、エンジニアリングプラスチック、複合材料などの割合が徐々に増加しています。これらの材料は自動車産業で特に広く使用されており、これが私たちの議論の焦点でもあります。

金属軽量素材：アルミニウム合金 自動車によく使われる合金材料は、主にアルミニウム合金とマグネシウム合金です。その中で、アルミニウム合金は現時点で最も広く使用され、最も一般的な自動車軽量化材料です。研究によると、アルミニウム合金は車両全体で最大540kgまで使用できます。この場合、車の重量は40％軽減されます。アウディ、トヨタなどのオールアルミニウムボディはその良い例です。

現在、アルミニウム合金の3Dプリント材料の主な種類はAlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12などであり、その中でAlSi10Mgがほぼ絶対的な主流を占めています。 AlSi系合金の機械的性質が高くなく、高強度の要求を満たすことができない現状を踏まえ、現在開発されている高強度アルミニウム合金としては、エアバスのScalmalloy、英国の鋳造会社Aeromet InternationalのA20X、長沙新材料産業研究所のAlMgScシリーズ、蘇州北峰のAl250Cなどがある。

2017 年、メルセデス・ベンツは製造業の変革において重要な一歩を踏み出しました。鋳造アルミニウム合金から 3D プリントされたメルセデス・ベンツトラックのサーモスタットなどの金属部品を 3D プリント技術を使用して製造したのです。それだけでなく、メルセデス・ベンツは、このプロセスが厳格な品質テストをすべてクリアしたと述べている。

金属軽量素材：チタン合金 チタン合金の主な利点は、低密度、高強度密度比、優れた耐食性です。さらに、温度が500°Cまで上昇しても高い強度を維持できます。自動車に使用されるチタン合金は、鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金に比べてコストが高いという主な欠点がありますが、自動車の他の部分に応用することで軽量化が可能になり、サスペンションスプリングや排気システムなどの部品の製造にも使用できます。

典型的な例は、ブガッティの従来のブレーキディスクの設計最適化です。従来の鋳造アルミニウムの代わりに高強度チタン合金を使用しています。材料の密度は増加しましたが、材料性能は大幅に向上しました。構造設計と組み合わせることで、3Dプリントで製造されたキャリパーの重量は最終的に40％削減されました。さらに、チタン合金は高強度かつ軽量な素材として、航空宇宙分野で大きな応用範囲を持っています。

金属軽量素材：マグネシウム合金 マグネシウム合金も比較的強度の高い合金材料です。現在、自動車のホイールやクラッチなどの部品に使用されています。アルミニウム合金よりも軽量ですが、自動車での使用量はごくわずかです。現在、世界クラスの自動車でのマグネシウム合金の使用量はわずか10kgですが、国産自動車でのマグネシウム合金の使用量はさらに少なく、約3kgにすぎません。

マグネシウム合金を大規模に利用するには、技術とコストの面でのブレークスルーがまだ必要です。マグネシウム合金の 3D プリントへの応用は、現在のところ主に研究段階であり、公に報告された事例は非常にまれです。

非金属軽量素材：カーボンファイバー 近年、合金に加えて、いくつかの新しい軽量素材が自動車に登場しており、炭素繊維もその1つです。研究によると、鋼鉄の代わりに信頼性の高い炭素繊維を使用すると、車体とシャーシの重量が40％〜60％減少し、軽量化の効果は明らかです。

炭素繊維は現在 3D プリントで直接使用することはできず、通常はレーザー焼結による短繊維強化や FDM による長繊維強化などの強化材として使用されます。従来の材料に炭素繊維を埋め込むと、部品の強度が数十倍に増加し、その強度対重量比は多くの金属材料を上回ります。この製造プロセスは、新しい材料設計に似ているため、軽量化において非常に幅広い応用範囲を持っています。

2015 年のトルネード耐久レース中、フォードはカーボンファイバー 3D プリントを使用してレーシングプレナム吸気マニホールドを製造しました。この部品はわずか 1 週間で製造されたため、車両開発エンジニアはテスト、調整、改善に多くの時間を費やすことができました。さらに、フォードチームの車には他の多くの3Dプリント部品も含まれており、車の軽量化と迅速な製造を保証しています。このチームはこの大会でも優勝した。

非金属軽量素材：エンジニアリングプラスチック もう一つの軽量素材はエンジニアリングプラスチックで、主に自動車の内装部品、電気部品、吸気マニホールド、コントロールパネルなどの部品の製造に使用されます。プロトタイプの検証に使用できるほか、最終的な機能部品を直接製造するためにも使用できます。武漢サップはかつてナイロン素材を使用して、高温と高周波振動に耐えられる2*0.5*0.7mの大型自動車ダッシュボードを印刷しました。研究開発サイクルは47％短縮され、製造コストは54％削減され、軽量化も実現しました。

特殊プラスチックの 3D プリント市場は近年成長傾向を示しており、これは 3D プリントに使用される特殊材料の豊富さだけでなく、印刷装置、プロセス、アプリケーションの多様化にも反映されています。特殊プラスチック 3D プリントのもう一つの有名なメーカーは Stratasys です。同社は航空宇宙産業や自動車産業向けに特殊なプリンターや高性能材料を開発しており、そのいくつかは航空認証も取得しています。

特殊材料の 3D プリントは従来のプラスチックプリンターとは異なり、より高い印刷温度と断熱環境が必要になることが多く、機器の開発プロセスに一定の制限があることがよくあります。現在、よく知られている FDM ブランドとしては、markforged、Roboze、Apium などがあります。国内では、Yimai Intelligent や Yuanzhu Intelligent などの企業があります。これらの特殊材料には通常、PA、PEEK、PEKK、PEI が含まれます。

軽量素材の使用は、製品の設計と製造技術と組み合わせる必要があり、この方法でのみ効果的な目標を達成できます。軽量材料に適した新しいプロセスを開発することで、自動車における新材料の使用を加速できるだけでなく、材料コストを削減し、用途の拡大につながります。

自動車業界の予測によると、今後10年間で自動車の重量は20％削減される見込みです。複合材料や軽量合金の広範な使用に加え、新素材の統合製造プロセスにより車体部品の数が大幅に削減され、車体設計方法も大きく変化するでしょう。

3Dプリンティングは、先進的な新製造プロセスの一つとして、自動車メーカーから広く注目されており、その利点は、段階的製造による材料廃棄ロスの削減と、統合製造による軽量化効果の大幅な向上に反映されています。 3Dプリントで直接製造できる素材はまだ限られているものの、軽量素材を直接製造することにはそれほど抵抗はないようです。

現在、成熟した 3D プリントのプロセスと材料は、多くの自動車メーカーから注目されています。フォルクスワーゲン、フォード、BMW などの自動車メーカーは、付加製造を含む高度な製造センターを設立しており、間違いなく自動車の軽量製造にさらなる機会をもたらします。

3Dプリントは材料から構造まで軽量製造を可能にする

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