ココナッツの殻から3Dプリントまで、新しい素材と新しいプロセスが自動車業界に流れ込んでいる

生物学的プロセスをシミュレートするフォードの3Dプリントフォームは、最近の2016年ニューヨーク国際オートショーで使用され、主要な自動車出展者が観客に豊かな視覚的かつ知的な饗宴を提供し、高速性とハイテクに対する人々の想像力に挑戦し、自動車産業の将来の発展の傾向を示しました。

アメリカのウェブサイト「ポピュラーサイエンス」は最近のレポートで、以下の3つの大きなトレンドを挙げている。より軽量な炭素繊維複合材が複数の自動車部品に広く使用されている。3Dプリント技術により、自動車産業にレンガやタイルが追加されている。そして、多数の新素材が次々と登場している。

炭素繊維複合材：あらゆるところに

テスラからグーグル、フォードからトヨタまで、自動車メーカーは過去1年間、技術的、思想的な革新で注目を集めてきた。自動運転車の実現に取り組んでいる企業もあれば、新しい軽量のガソリン・電気ハイブリッドでハイブリッド車をさらに改良している企業もある。市場の低価格帯でも、自動駐車システムや車線逸脱警報システムは、現在では多くの量産モデルで標準装備となっています。

しかし、こうした興奮のなか、現代の自動車に使用されている新素材は見過ごされがちだ。その中で最も有名なのが、超強力な炭素繊維複合材料だ。実際、レースカー、スーパーカー、あるいは高性能ファミリーカーなど、高性能車両は最高速度と加速を実現するために重量を抑える必要があります。

昨年、自動車メーカーは、カーボン複合材自体の魅力的な外観を利用して、主に自動車をより軽量かつ美しくするために、スーパーカーにカーボン複合材部品を使い始めました。今年もそれが顕著です。例えば、スウェーデンのスーパーカーメーカー、ケーニグセグ社初のハイブリッドモデルであるレゲーラのホイールは、総合最高出力1,500馬力で、カーボンファイバー複合材料で作られています。現在多くの高級車のタイヤに使用されている軽量マグネシウム合金と比較すると、炭素繊維複合材タイヤはより軽量です。タイヤの重量を減らすことは、車自体の重量を減らすことよりも、車のハンドリングに大きな影響を与えます。より軽いホイールは路面にしっかりと密着し、グリップが向上します。今後のモデルでは、ますます多くの自動車メーカーがスーパーカーに複合材料を使用し、最終的には量産モデルに移行するでしょう。

昨年の自動車ショーでは、すでに、バックミラーハウジング、フロントおよびリアディフューザー、内装トリム、スポイラーなど、かなりの数のカーボンファイバー部品が展示されていました。しかし、今年の自動車ショーでは、アキュラNSXスーパーカー、フォードGT、BMW i8など、ボディ全体が炭素繊維複合材で作られた車体を含む多数の車が、ボディパネルやシャーシに炭素複合材を使用し始めました。さらに、電気自動車は、一回の充電あたりの走行距離を延ばすために、重量の軽減も急務となっている。そのため、BMW i8やテスラモデルSなどの高級電気自動車では、近いうちに炭素繊維複合材料製のタイヤが採用されるかもしれない。

炭素繊維複合材のもうひとつのあまり知られていない用途は、トヨタの燃料電池車「ミライ」に使用されている水素タンクなどの水素貯蔵装置です。炭素繊維をチューブに巻き付けて作られた炭素繊維複合水素タンクは、より高い圧力に耐えられるため、より多くの水素を貯蔵でき、自動車の燃費を向上させることができます。

3D プリントのイノベーション: すべてが可能

現在、大量生産される部品の製造には、一般的に従来の製造方法が用いられており、非常に複雑な構造を持つ部品は、このような方法では製造が困難です。

しかし、3D プリントの最近の進歩により、より複雑な部品を製造する際の障壁が一部取り除かれ、他の製造方法では不可能な生物学的プロセスにヒントを得た構造をこの技術で作成できるようになりました。そのため、3Dプリント技術の助けを借りて、複雑な構造を持つ精密部品を大量生産することができます。

2016年のニューヨーク国際オートショーで、フォードは3Dプリンターで作られた複雑なフォーム構造を披露した。各フォーム構造は何千もの小さな気泡で構成されているため、従来の方法ではこれほど同一のフォームを大規模に生産することはできない。フォードは、吸気管やタイロッドなどの3Dプリントモデルも多数展示した。さらに、3D プリントでは迅速なプロトタイピングも可能となり、3D プリントで作成された金型を従来の装置製造に利用することもできます。

生産量の少ない自動車の場合、3D プリントを使用してすぐに使用できる部品を印刷することは特に便利です。このような自動車の主なコストは設計とプロトタイプの開発であり、3D プリント技術の助けを借りて、このようなプロセスのコストを大幅に削減できるためです。現在、航空機エンジン部品の製造を専門とするゼネラル・エレクトリック・アビエーションや、浴室用蛇口を専門とするアメリカン・スタンダードなど、いくつかの企業が3Dプリント技術を活用している。

未来の素材：無意味なものから人気のあるものへ

さらに、2016年のニューヨーク国際オートショーでは、多くの自動車メーカーが天然繊維や再生可能素材など、いくつかの「目立たない」素材を使い始めました。業界関係者によると、トウモロコシの皮、ケナフ、麻、ココナッツの殻、綿などの天然繊維から作られた複合材料が、将来的には自動車の複合材料になる可能性が高いという。

このような複合材料は平凡に見え、未来的な雰囲気に欠けるかもしれませんが、その大量生産と応用は、実際には高強度炭素繊維複合材料よりも大きな技術的課題に直面しています。さらに、これらの天然素材はプラスチックと容易に結合しないため、両者の混合が困難になり、部品の強度が低下します。

今年の自動車ショーでは、フォードは天然複合材とリサイクル複合材の開発で大きな進歩を遂げ、これらの材料で作られた部品の一部は製造の最終段階に入っている。たとえば、フォードクーガの従来の射出成形プラスチック製内部金型プレートをケナフ繊維複合材に置き換えることで、石油由来の材料を約 30 万ポンド節約し、部品の重量を 25 パーセント削減しました。さらに特別なのは、フォードが現在、廃棄された米国の紙幣を使って複合材料を作ろうとしていることです。

天然繊維強化複合材料は、断熱性と遮音性に優れているだけでなく、車両の重量を軽減し、耐摩耗性も向上します。さらに、これらの材料を使用することで得られる環境上の利点は数多くあります。材料自体が再生可能であり、プラスチックの製造に使用される石油の消費も削減されます。

出典：科技日報

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