積層造形はどのようにして新世代の電気自動車への道を先導するのでしょうか?

はじめに: 新世代の電気自動車に付加製造がもたらす主な利点は、内燃機関車やハイブリッド車とはまったく異なる方法で、車両全体を迅速に試作および開発できることです。パワートレインの可動部品が大幅に減少したため、ボディのデザインとカスタマイズが新しい電気自動車の特徴となるでしょう。この複合的な利点を超えて、積層造形はどのようにして新世代の電気自動車につながるのでしょうか?

付加製造は小ロット生産においてもますます利点をもたらし、新世代の製品の市場投入までの時間を短縮します。これは技術開発と新製品開発における重要な利点です。この利点が際立つ応用分野の 1 つが航空宇宙産業です。AM によって規模の経済性が不要になるため、数十社の新しい航空宇宙スタートアップ企業が製品を市場に投入できるようになりました。同じことが電気自動車の分野でも起こっており、付加製造によって新しいスタートアップ企業が市場に参入できるようになり、大企業も実験や革新に対してよりオープンになれるようになっています。

需要が減少し、カスタマイズされた製品が増えるにつれて、3D プリントの価値は徐々に高まります。ポリマーを使用すると、積層造形された部品は最大 100,000 個までのバッチで競争力を発揮します。これは、小型で複雑な部品に当てはまります。特に、新製品を初めて市場に投入するために必要な少量の部品の場合、LFAM 技術の競争力はますます高まっており、スタートアップ企業や新規プロジェクトに好まれる製造方法となっています。

EV（電気自動車）が増えると、AMマシンの生産性も向上します。現在、この利点は主にポリマーと複合材料に反映されていますが、近い将来、金属部品にも適用されると考えています。現在の内燃機関車と比較して、電気自動車では金属の代わりに複合材やポリマー部品がより多く使用されるようになります。

新車開発の加速は、LFAM 技術 (Massivit や Ingersoll Masterprint など) による実物大コンセプトやカスタムツール (非常に大型の複合ツールを含む) を含む、押し出し、ステレオリソグラフィー、レーザー焼結技術によるラピッドプロトタイピングの反復を通じて、大幅にコスト効率が向上します。

積層造形が電気自動車産業の発展を加速させるのに役立つもう 1 つの分野は、デジタル倉庫管理 (およびオンデマンドのスペアパーツ製造) です。ユーザーは 1 つのファイルを送信するだけで済むため、より効率的で持続可能なサプライチェーンを実現できます。電気自動車の簡素化された生産プロセスと相まって、全体的に可動部品が大幅に少なくなり、地元のマイクロ電気自動車工場に適しています。さらに、EV 分野の多くの新規プレーヤーは、デジタルサプライチェーンのダイナミクスを採用する意欲が高まっています。 3D プリントのコスト上の利点は、それを取り巻く価値構造全体を見て定量化する必要がありますが、次のように、これらの利点がより顕著になる可能性がある特定のセグメントがあります。

1. 電気自動車のボディ部品
EV 企業 Local Motors は、LFAM 複合 3D 印刷技術を使用して車体全体を 3D 印刷する機能を初めて実現しました。同社は、競争が激しく困難な自動運転車市場への参入に失敗し、閉鎖したばかりだが、付加製造技術は同社に成功の最大のチャンスをもたらす。

Local Motors は 2014 年から、初の完全な車体である Strati を 3D プリントし、その後、完全に 3D プリントされた車体を統合した Olli スマート EV カーを発売しました。たとえば、チームは、SABIC (LNP THERMOCOMP) のリサイクル可能なポリカーボネート素材と Thermwood の LSAM 大判押し出し 3D 印刷技術を使用して、Olli の上部構造と下部構造を 3D プリントしました。

△ ローカルモーターズ初の3Dプリント車「ストラティ」。これは自動車業界における短命な革命でしたが、LFAM 3D プリンティングを世界的な舞台に押し上げました。

Local Motors は、LFAM 技術 (最初は Cincinnati Incorporated から、後に Thermwood から) と SABIC の LFAM 複合材を使用して大型自動車最終部品を製造するなど、積層造形業界で初めて数々の成果を達成しました。可能であれば、Local Motors は 3D プリント企業としての本質を貫き、この製造方法の開発を継続し、OLLI とともに他の LFAM アプリケーションをターゲットにして事業を拡大すべきです。

EV車体部品のAM生産はまだ量産には至っていないが、他の企業もローカルモーターズの足跡を追っている。その一つが、YOYOを開発・商品化したイタリアと中国の合弁企業XEVだ。同社は、BigRep PRO LFA 3D プリンターを使用して、カスタマイズ可能なボディパーツを印刷します。 XEV の 3D プリント生産ラインは、限られたリソースを大量に消費するツールの必要性を排除し、柔軟で効率的な製造プロセスを可能にするように設計されています。この技術により、ボディ部品の削減と技術更新の高速化により生産サイクルが大幅に短縮され、生産コストが大幅に削減されるため、YOYO のイタリアでの価格は 10,000 ユーロ強となっています。これは、事前に設計され標準化されたシャーシによるもので、3D プリントされた部品は、再設計を大幅に減らして修正および変更できます。最終的な表面品質を確保するため、3D プリントされた部品は自動化されたロボットによるミリングプロセスも通過し、非常に滑らかな表面が保証されます。

△XEVはもともと大型3Dプリントのプロセスと部品を使用して開発されました。この車両はメディアではあまり注目されなかったが、現在ではイタリアのEnjoyなどのカーシェアリングサービスプロバイダーに採用されるケースが増えている。

これらは、EV の車体部品の製造に AM が採用されている最も目立った例の 2 つにすぎません。大手自動車メーカーと小規模の革新的なスタートアップ企業が関与する、より概念的なプロジェクトが他にもあります。一般的に、FCA や MINI などの大企業は、AM を使用して小型部品を製造し、今後発売される電気自動車をカスタマイズすることをより慎重に検討していますが、革新的なスタートアップ企業の中には、機能性を高めるためにモジュール要素を検討しているところもあります。たとえば、スイスの自動車メーカーであるリンスピードは、モジュール性と効率性を重視した自動車の未来について独自のビジョンを持っています。同社のメトロスナップコンセプトは、複数の機能を実現する 3D プリント部品を搭載した電気モジュール式車両です。この車両は、シャシーとボディを分離し、ボディの交換を可能にするという同社の革新的なコンセプトに基づいています。

電気自動車市場の目標は、2030年までに電気自動車市場浸透率を2～3%にすることです。電気自動車の車体部品の製造における積層造形の使用は、当初は長期的な開発でしたが、電気自動車の採用が拡大するにつれて急速に発展しています。今後、電気自動車は部品点数が少なくなることが予想されるため、電気自動車の車体部品の生産市場における3Dプリントの普及率は、従来の自動車よりも高くなるでしょう。

軽量化は、付加製造を導入することによる主な利点の 1 つであり、重量の軽減や重量配分の改善はバッテリー寿命の延長に役立つため、電気自動車の開発には不可欠です。 3D プリントは、安全性を犠牲にすることなく電気自動車を軽量化するための新しい部品形状の開発に役立ちます。航空宇宙部品の開発で実証されているように、パラメトリックに最適化されたジオメトリを使用して AM 用に部品を再設計すると、材料を削減し、車両の重量を軽減しながら、安全性に必要な構造的完全性を維持できます。

2. 電気自動車の補助電気システムおよび電子機器<br /> この市場には、オーディオ/ビジュアル機器、カメラ、低電圧電源システム、メーターとゲージ、点火システム部品、照明と信号システム、さらに、EV構造に電子機器を統合する必要があるさまざまな種類のセンサー、電気スイッチ、配線ハーネス、エンクロージャが含まれます。応用面では、積層造形はすでにカスタム電子ハウジングやスイッチの製造に広く使用されています。その他の主な用途としては、金属 PBF での銅の使用や、金属/バインダージェッティング技術の組み合わせなどがあります。

3D プリントによる電子機器筐体 (および関連製品) のコスト効率は、AM 部品製造会社や AM 工場によって実証されています。大量 3D プリントの利点の 1 つは、ツールのコストをかけずにカスタム部品を大量生産できることです。この自由度により、生産中に製品を進化させることができ、在庫要件が削減されます。電子筐体は、自動車で使用される数百万の PCB 設計に対応できず、搭載される電子部品の数はますます増加しています。この傾向は、電気自動車とカスタマイズの需要が増加するにつれて、数桁増加するでしょう。 3D プリントを使用すると、成形コストをかけずにハウジングをオンデマンドで生産できます。

ナノディメンションは、3Dプリント技術による電子部品の開発・製造に注力しています。スマートモビリティとインターネット接続デバイス (IoT) の需要が高まるにつれ、ポリマーベースの業界では、革新的で機能的なデバイスや、効率性、パフォーマンスの向上、手頃な価格を実現するアプリケーションを開発する新しい方法を模索しています。 Nano Dimension の DragonFly システムは、社内の電子機器開発を加速し、設計の自由度を高めて、迅速かつコスト効率よく新製品を開発するための理想的なテクノロジーです。

Nano Dimension の Additive Manufacturing Electronics (AME) テクノロジーを使用すると、高度な自動車設計向けに最適化された電気機械コンポーネントを作成できます。

付加的エレクトロニクス技術により、導電性コンポーネント、パッケージ化されたセンサー、スマートサーフェスの迅速な試作と製造が可能になり、自動車メーカーは基板全体またはコネクタの一部のみを印刷する柔軟性を得られるほか、基板の RF 部分とデジタル部分を並行して開発し、コンセプトをその場でテストできるようになります。これにより、組み込みセンサー、導電性ジオメトリ、成形接続デバイス、PCB などのカスタムエレクトロニクスのアプリケーションが開発され、ドライバーのエクスペリエンスを向上させる革新的な自動車コンポーネントのバックボーンとなる可能性があります。

同様に、ロジャースコーポレーションは Fortify3D と提携して Radix 3D プリント可能誘電体製品ラインを開発しており、最初に提供される材料は誘電率 2.8 とマイクロ波周波数での低損失特性を特徴としています。これらの印刷可能な誘電体材料は、一般的な製造設計上の制約を考慮することなく、車両のブレーキや衝突回避のための自動車レーダーアプリケーションなどの新しいコンポーネントを作成するための前例のない設計の自由を無線周波数 (RF) 設計者に提供します。

内燃機関がより小型化し、電気自動車がより合理化されるにつれて、電子部品、特にハウジングやスイッチの製造における積層造形の使用が、量産レベルまで急速に増加すると予想されます。高温材料を使用したポリマー 3D プリントでは、すでにさまざまなボンネット下のコンポーネントを製造できます。電気自動車やスマートカー全般では、温度の問題が少なくなり（バッテリーを除く）、複雑な電子部品の需要が増加するにつれて、AM の使用が増加すると予想されます。

3. 電動パワートレイン部品と積層造形アプリケーション<br /> 世界の電動パワートレイン市場は2020年に約200億ドルになると推定されており、2027年までに400億ドル近くに成長すると予想されています。パワートレインとシャーシのコンポーネントの中には、内燃機関車と電気自動車の両方に共通するものもありますが、形状は異なる場合があり、その一部は何らかの形で 3D プリントされています。まず最初に、多くの 3D プリント部品を組み込んだ、待望の Czinger 21C ハイブリッドスーパーカープロジェクトを紹介します。 Czinger 社は、プロジェクトの前身である Blade スーパーカーから派生したシャーシ (SLM Solutions の金属 PBF 技術を使用して製造) を含むパフォーマンスエンジニアリング部品を作成するために積層造形法を使用しています。

ブガッティは、リマック社に買収された後、電動化に向けて動き出しているもう一つの大手内燃スーパーカーメーカーです。ブガッティは、革新的なチタン製3Dプリントブレーキキャリパーをはじめ、多くの部品に積層造形技術を採用している。最近では、カーボンファイバーと3Dプリントされたチタン製エンドフィッティングを組み合わせた長さ0.5メートルの補助ドライブシャフトなどのハイブリッド部品を製造し、重量を約半分の1.5キログラムに減らし、回転が減ることで性能を向上させました。 Rimac は、世界初の電動スーパーカーの 1 つである Concept_One の内装部品の製造を 2011 年に Materialise に依頼して以来、当初から 3D プリントを活用してきました。スーパーカーといえば、ランボルギーニも電動化と 3D プリントの両方に注力している大手ブランドです。

電気自動車はバッテリーに蓄えた電気を使って電動モーターを回し、走行に必要な電気を生み出します。したがって、電気自動車には、内燃機関車の最も重要な部品の 2 つであるエンジンとトランスミッションは必要ありません。対照的に、EV には、モーター、バッテリー、オンボード充電器、電力制御ユニット (EPCU) など、複数の電気部品が搭載されています。これらはすべて、バッテリーの電気エネルギーを運動エネルギーに変換するために必要なコンポーネントです。電気モーターは発電機でもあり、ニュートラル（つまり、車が下り坂を走行しているとき）で発生する運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、バッテリーに蓄えます。車の速度が落ちるときも、同じ省エネコンセプトが適用されます。

△Additive Drivesの特許取得済みNextPinテクノロジーにより、モーターの性能を大幅に向上させることができます。

電気モーターにおいて、AM にとって特に興味深い焦点は銅です。ドイツの Additive Drives 社は、有望な応用事例を発表しました。その 1 つは、フライベルク工科大学の Racetech Racing Team eV と共同で開発した、レーシングエンジンで使用するための 3D プリントされたシングルコイルです。別のプロジェクトでは、銅製の 3D プリントヘアピン巻線により、電気牽引モーターのプロトタイプの開発と製造に必要な時間がわずか 1 か月に短縮されました。さらに、ドレスデンを拠点とする電動自転車メーカーの Binova は、3D プリントされた個々のコイルを使用して、単一バッチでの直接生産を実現しました。Binova は、調整にツールを必要としない型破りなモーター設計を備えた、さまざまな種類の電動自転車を製造しています。ポルシェとSLMソリューションズは、3Dプリントを使用して電気駆動用の完全なハウジングを製造することに重点を置いたプロジェクトにも取り組んでいます。付加的レーザー融合プロセスを使用して製造された、エンジンギアボックスユニット上の 3D プリントされた E-Drive ハウジングは、すべての品質テストと圧力テストに合格しました。将来的には、これが実現可能な生産方法になるかもしれません。

電気自動車において、減速機はモーターの動力を効率よく車輪に伝える伝達装置です。電気モーターは内燃エンジンよりもはるかに高い回転数を持ち、回転数が低下すると、EV パワートレインはその結果生じる高いトルクを活用できます。この部品はかなり複雑な金属部品であり、AM によって最適化することで将来的に生産の高速化、性能の向上、重量の軽減が可能になります。パワーコントロールユニットは、積層造形プロセスの恩恵を受けることができるもう 1 つの複雑なハウジングです。これには、バッテリーの DC 電力を AC 電力に変換してモーターの速度を制御するインバーター、車両のさまざまな電子システムに電力を供給する低電圧 DC-DC コンバーター、および車両コントロールユニットが含まれます。 VCU は車両のほぼすべての電力制御メカニズムを監視します。

4. 電気自動車用バッテリー
2019年、世界の純電気自動車市場規模は500億米ドル近くに達しました。 NMSC のデータによると、市場は 2019 年から 2030 年の間に年平均成長率 14.1% で成長し、2030 年までに 2,120 億ドルを超えると予測されています。バッテリーは、内燃機関の燃料タンクのように電気エネルギーを蓄えます。容量が大きいほど、走行距離が長くなります。ただし、バッテリーのサイズと重量も車両の性能に大きな影響を与えます。バッテリーが大きくて重いと、キャビン/収納スペースを占有し、エネルギー効率と燃費が低下します。したがって、パフォーマンスを最適化する最善の方法は、バッテリーのエネルギー密度を最大化すること、つまり、小型で軽量なバッテリーにできるだけ多くの電気エネルギーを蓄えることです。

△Sakuu の Swift Print 固体電池は、電気自動車、電気自動車、幅広いエネルギー貯蔵アプリケーションにクラス最高のパフォーマンス、カスタマイズ性、安全性を提供します。

多くの企業が、ポリマーやセラミック材料を含むさまざまな 3D プリント技術を使用してバッテリーを製造する取り組みを行ってきました。バッテリーは効率を向上させるためにさまざまな形状やサイズをとることができるため、AM テクノロジーは複数の新しい設計の反復をテストし、最終的に製造するのに役立ちます。今日の電気自動車に使用されているバッテリーは、基本的に、容量を増やすために一緒に固定された数百個の小さなセルの列です。たとえば、テスラの 85kWh バッテリーパックは、単三電池とほぼ同じサイズの 7,104 個のセルで構成されています。 3D プリントでは、個々のセルを製造して組み立てる必要がなく、モジュールを設計して、希望する全体形状にプリントすることができます。付加製造により、バッテリー電極の構造も変化します。

スイスの企業ブラックストーン・リソーシズは、リチウムイオン固体電池（SSB）を印刷するための独自の3D印刷技術で、一連の重要なマイルストーンを達成しました。ブラックストーンの3Dプリントプロセスは、液体電解質を使用する従来のバッテリー設計に比べて大きな利点を提供すると主張している。これらには、コストの大幅な削減、生産の柔軟性の向上（バッテリー形式に関して）、エネルギー密度の 20% の向上が含まれます。さらに、この技術を使うことで、銅やアルミニウムなどエネルギーを蓄えない材料の使用量も最大10％削減できるという。このスイスの企業はまた、2021年までに独自のバッテリー印刷技術を使用して、あらゆる形状や形態のバッテリーを大量生産できるようにするワークフローを開発した。

3DプリントSSBを開発しているのはブラックストーンだけではない。米国では、 Sakuú Corporation（旧称Keracell）が、3DプリントSSBを製造するための自動化されたマルチマテリアル、マルチプロセスの積層造形技術の開発資金として6,200万ドルを調達しました。 2020年から2021年にかけて、Sakuúは第1世代バッテリーのエネルギー密度を40Wh/lから600Wh/lに高め、バッテリー層の数を1から30に、バッテリー容量を2.3mAhから3000mAhに増やし、電気自動車のSSBの新たなベンチマークを確立しました。これらのバッテリーは、エネルギー密度の点で現在のリチウムイオンバッテリーと非常に競争力があり、同時に固体技術に固有の安全上の利点ももたらします。 2021年、Sakuúは第2世代ASSB（全固体電池）の早期実証として、世界初のオールセラミックSSB電池も印刷しました。

電気自動車のパワートレインでは、部品点数を減らして重量を軽減し、性能を向上させるために、積層造形の使用が特に効果的です。結果として、部品が少なくなると燃費が伸びます。積層造形は、電気自動車のシャーシ、ブレーキ、流体フローアプリケーションなどのコンポーネントにすでに実用化されており、タンデムバッテリー製造に積層造形を実装する能力に大きく依存しています。この分野での取り組みはすでに始まっていますが、統合された商業的機会になるまでには、さらに何年もの研究開発が必要になるでしょう。

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