Ansys Asia Pacificの「Additive Thinking Digital Future」シリーズ - 「月探査」技術が生活に入り、付加製造が草の根レベルで統合される

著者: Li Jingyang、現在はAnsem Asia PacificのIPグループのIPエンジニア。主な研究分野は新しい航空宇宙材料の探索と応用。

NASA はこう言っています: あなたの生活にはあなたが思っている以上に宇宙が広がっています! あなたの生活にはあなたが思っている以上に宇宙技術が広がっています!アメリカ航空宇宙局（NASA）は、多くのハイエンドの航空宇宙技術を保有しています。社会経済の継続的な発展に伴い、技術移転プログラムを通じて、航空宇宙を超えた実用的価値を探求し、徐々に民間分野に広めて人々に利益をもたらしてきました。現在、米国は軍民融合、民軍融合、軍民両用技術の開発において比較的成熟したシステムとメカニズムを形成しており、世界の軍民融合のモデルとなり、多数の新興企業を育成している。米国は、航空宇宙技術の移転政策、管理、促進措置において豊富で貴重な経験を蓄積しており、軍民両用技術の移転と転換においても顕著な成果を上げています。これは、我が国が技術成果の変革を促進する上で大きな参考意義を持ちます。
△「付加製造技術は空や地に届くのか？」》Ansys Asia Pacificの「付加的思考とデジタルの未来」特集シリーズ。この記事はシリーズの第5回目で、DfAM設計思考が付加製造におけるコスト削減と効率向上にどのように役立つかを詳しく説明しています。今後も興味深いコンテンツをお届けしますので、どうぞお楽しみに。

NASA の技術移転の成果 NASA は 1976 年の設立以来、技術的リソースを活用して探査と発見において前例のない飛躍を遂げてきました。現在、NASAは航空分野で多くの技術開発を行っており、医療・健康、生活消費、交通・運輸、エネルギー・環境、産業生産性、情報技術、公共安全の分野で2,000以上の派生製品を保有しています。

航空機のより耐久性のあるポリマーは、宇宙の宇宙飛行士の健康を監視することができます。カナリーに改善され、森林排出量を監視することができます。宇宙燃料電源は、食用油を持続可能にし、環境に優しい吸収剤を消費します。エドマイナーなダメージ。ロケットエンジンを介した液体の流れをシミュレートするためのハートポンプのおかげで、心臓移植が必要です。

宇宙向けに開発された技術は、何年も前から自動車に搭載されてきました。最終的に道路用タイヤにつながったシャトルタイヤのエンジニアリングから、快適な自動車シートの開発につながった無重力時の姿勢の研究まで、数十年にわたる宇宙開発はより優れた自動車の誕生につながりました。

1. ドップラー LiDAR により自動運転車がより安全になる 宇宙船を月に着陸させるために設計されたレーザーは、ドップラーライダーシステムを利用して、地球上のラッシュアワーの交通を自動運転車がナビゲートするのに役立つかもしれない。ナビゲーションドップラーライダーは、車載コンピューターにデータを提供し、カメラからの情報と組み合わせることで、建物、人、その他の車両を識別できます。また、物体の動きや方向、速度を検出して、減速や停止が間に合わないという致命的なミスを回避することもできます。さらに、他の自律走行車のライダーがドップラーライダーの性能に干渉したり、性能を変更したりすることはありません。現在、ナビゲーションドップラー LIDAR システムは、自動車、航空機、商用宇宙船での使用向けにカスタマイズされています。これらはすでに、宇宙の惑星着陸用に開発されたシステムよりも小型で強力です。

△ドップラーLiDARシステム

2. NASA の中立体位仕様 (NBP) は、快適な自動車シートの基礎を提供します 重力を含むすべての物理的影響が人体に及ばなくなったとき、人体は自然にどのような形になるでしょうか? NASA はアメリカ初の宇宙ステーションであるスカイラブを使用して研究を行い、後にいわゆるニュートラルボディポスチャー規範 (NBP) を発表しました。

△ ニュートラルボディポジション図

アルティマシート

日産は2013年にNASAの研究から生まれたシートをアルティマモデルに初めて採用しており、この技術は運転席と助手席だけでなく後部座席にも適用される予定だ。これらのシートは、6 方向に調整可能な運転席、4 方向に調整可能な助手席、または後部座席に座ったときに筋肉の負担が少なくなるため、運転手と乗客にとって長距離ドライブがより快適になります。

3. フラッシュライダーが無人航行を可能にする 従来の LIDAR はレーザー光のパルスを送信することで機能しますが、グローバルシャッターフラッシュ LIDAR は単一のレーザーパルスを使用して一度にすべてのデータを取得し、全体のマップを生成します。パルスは数千のピクセルを持つ焦点面アレイによって受信され、多くの利点をもたらしますが、最も重要なのは速度です。1 回のレーザーショットで数万のピクセルを取得できます。

ASC の自動車用フラッシュ LIDAR も同じ技術を使用しています。ソフトウェア処理要件を削減することで、ASC の Global Flash LiDAR は道路上の危険をより迅速に特定できます。これは、他のドライバー、歩行者、自転車などと一緒に道路を走行する場合の重要な安全上の利点です。これは、1回のパルスで15,000ピクセルを収集し、画像を一度に収集するため、動きによって画像が歪まないためです（図）。

△ASC Global Flash LiDARで収集した画像

4. 空気力学研究がトラックの設計に革命をもたらした
NASA のエンジニアは、航空機の空気力学と流体力学について広範な研究を行い、機体から突き出た空気力学的表面である渦発生器を使用して、より高速に移動する空気を航空機の表面に引き寄せ、航空機の周囲のより低速に移動する境界層の空気を乱し、航空機の制御を改善して抗力を減らし、航空機用途での揚力を増加させています。

△ RV車後部のエアタブ

Aeroserve の Airtab 渦流発生器は、制御された渦を発生させ、トラックやトレーラーの風圧と空気抵抗を低減します。トレーラー、バン、RV の後部では、Airtabs は 2 つの方法で空気の流れを大幅に変えて抗力を減らします。1 つは空気の流れのパターンを垂直から水平にシフトして大きな渦を排除する方法、もう 1 つは空気の流れをスムーズにして、車両後部の先細りを人工的にシミュレートする方法です。実際、Airtabs は 30 度以上後方に傾くあらゆる車両で機能することが実証されています。潜在的な利点は車両アプリケーション全体に広がっており、したがって多数の車両にメリットをもたらす可能性があります。

5. タイヤセンサーがタイヤのパンクをドライバーに警告します 適切なタイヤ空気圧は航空機の安全な着陸に不可欠です。 NASA は NovaSensor と提携してシャトルのタイヤ用の製品を開発しました。この製品は、圧力を抵抗に変換し、小型バッテリーで駆動し、無線周波数で測定値を送信する MEMS 圧電抵抗技術に基づく圧力センサーです。センサーは小さなシリコンチップ上に構築されており、チップの片側に圧力が加えられると、シリコンに歪みが生じます。タイヤの空気圧が低くなると、ひずみが変化し、それに比例して圧電抵抗が変化し、ミリボルト単位で測定される微小な電荷が発生し、問題が発生していることを示します。同社はその後、このセンサーを乗用車向けに改良し、最終的に数百万台のデバイスを販売した。

航空宇宙における3Dプリントの応用
NASA は、プロトタイプや新しい部品の開発と製造時間を短縮し、地球から遠く離れた場所で交換部品を簡単に製造できるため、数年前からさまざまな宇宙船用途に 3D プリントの使用を検討してきました。 3D プリントのユニークな点は、ツールや初期費用が不要で、プロトタイプや新しい部品をより迅速かつ安価に作成できることです。

1. 3Dプリント統合航空機部品付加製造ではコンポーネントを層ごとに構築するため、エンジニアは複数の部品を結合するのではなく、部品を 1 つのコンポーネントに組み合わせることができます。 Hexcel は、パイプに使用する NAS テスト済みのポリエーテルケトンケトン (PEKK) 熱可塑性プラスチックを使用して、3 つの開口部を持つダクトアセンブリを印刷しました。

△ 3つの開口部を持つダクトアセンブリ

2. 将来のロケットエンジンには大規模な 3D プリントが採用される可能性がある NASAのエンジニアたちは、金属粉末とレーザーを使用して、ノズルや燃焼室などのロケットエンジン部品を3Dプリントする新しい方法を研究している。指向性エネルギー堆積法と呼ばれるこの方法は、従来の製造方法よりも高速かつ安価です。この開発はNASAの推進技術の迅速分析・製造（RAMPT）プロジェクトの一環である。この技術の進歩は、最も難しく高価なロケットエンジン部品を従来よりも低価格で生産できるようになるため、重要です。
△指向性エネルギー堆積法で作られたエンジンノズル
エンジニアたちは2019年にマーシャル宇宙飛行センターで3Dロケットエンジン燃焼室の試験発射を行った。

△ロケットエンジン燃焼室の試験

進化する自動車産業で付加製造が果たす役割 近年、3Dプリンティングは航空宇宙分野での応用に加え、自動車部品の加工・製造にも広く利用されるようになりました。同時に、「中国製造2025」計画が提唱されて以来、自動車産業における軽量化とスマート化の発展問題が広く注目されており、将来の自動車製造分野の発展トレンドにもなっている。

現在、世界の自動車部品市場の総価値は1兆米ドルを超えています。 AMの自動車部品事業の潜在的規模は2030年までに200億ドルにまで拡大し、そのうち電気自動車部品の生産が約25％を占める見込みだ。

△AM関連自動車部品生産の予想収益（米ドル）
出典: 3dpbmリサーチ

自動車は主に、ボディ、補助電子機器、内装、パワートレイン部品の 4 種類の部品で構成されています。

△自動車部品

1. 体の部位 AM は、プロトタイピングにおける明らかな応用に加えて、ボディパーツ市場でも役割を果たせることが実証されています。 3D プリントは、BMW i8 ロードスター (HP MJF テクノロジーを使用したポリマーを使用) や、カバーが開いたときのコンバーチブルハイブリッドスポーツカーのルーフ (金属 PBF を使用) など、より小型で目立たない量産部品に実装されています。電気自動車メーカーのLocal Motorsは、LFAM複合3Dプリント技術を使用して車体全体を3Dプリントする能力を実証しました。

2. 補助電気システムおよび電子機器 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、さまざまな種類のセンサー、電気スイッチ、配線ハーネス、そしてもちろん電子ハウジングが含まれており、AM はすでにカスタム電子ハウジングとスイッチの製造に多用されています。

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 AM の使用は、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 印刷技術により、いくつかの内燃機関車両のボンネット下の部品を製造できるようになりました。電気自動車やスマートカー全般では、温度が（バッテリー以外では）それほど重要ではなくなり、複雑な電子部品の需要が増加するにつれて、AM の採用がより重要になると予想されます。

3. インテリアこのセグメントには、すべてのフロアパニア、ダッシュボード、トリム、アクセサリ、そしてもちろん車のシートが含まれます。特にこの最後の分野は、最近いくつかの革新的な 3D 印刷アプローチに影響を与えています。

大手自動車メーカーはすでに、3Dプリントされた自動車内装部品の研究と市場投入に取り組んでいます。現在最も人気のあるアプリケーションの 1 つは、自動車のシート部品への AM の使用です。 2018 年、ゼネラルモーターズ (GM) とオートデスクはジェネレーティブデザインを使用して 3D プリントされたシートブラケットを開発しました。シートフレームはステンレス製で、部品を8個から1個に統合し、重量も40%削減しました。 HP はまた、マルチジェットフュージョン技術を使用して自動車シート部品を製造するために、複雑な格子形状を使用して弾性材料 (TPU および TPA) の柔軟性を変更する、自動車シートを製造する新しい方法を開発していると噂されています。

さらに、高級車メーカーのポルシェは、3Dプリントされたボディとフルバケットシートを備えた新しいコンセプトカーを2020年に発表しました。バケットシートはスポーツカー用に設計されており、発泡ポリプロピレン (EPP) とポリウレタン素材で作られた 3D プリントの格子層を統合しています。さらに、3D プリントされたレイヤーは、ドライバーの快適性の好みに基づいてカスタマイズできます。

4. パワートレインとシャーシ
1. 燃焼パワートレイン部品 AM 技術の効率化に伴い、3D プリントを使用して、排気マニホールド、バルブ、ピストンなどの複雑な部品の形状を最適化し、サブコンポーネントを削減できるようになり、同時に、形状と新素材を利用して統合冷却システムのパフォーマンスを向上させることができます。しかし、実験的な展示モデルを除いて、エンジンブロックを直接3Dプリントした事例はこれまでありませんでした。

2. ハイブリッドシステムコンポーネントパワートレインおよびシャーシコンポーネントの一部は、形態は異なりますが、内燃エンジンを搭載した車両と電気自動車に共通しています。これらのうちいくつかはすでに何らかの形で 3D プリントされており、Czinger は金属シャーシを含む多数の 3D プリント部品を組み込んだハイブリッドスーパーカー、Czinger 21C を開発しています。

△ジンガー21C

内燃エンジンスーパーカーのもう一つの大手メーカーであるブガッティは、革新的なチタン製 3D プリントブレーキキャリパーなど、数多くの部品に AM を採用しています。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1.5kgに減らし、回転質量の減少により性能を向上させました。

ブガッティは、自動車用途における積層造形技術の最前線に常に立っており、ボリードは間違いなくブガッティのこれまでの最高かつ最も強力な製品です。また、最も多くの 3D プリントを採用した製品でもあります。画期的な完全 3D プリントチタンブレーキキャリパーの開発以来、ブガッティはバイオミミクリーの分野の原理をますます応用し、印刷された部品に薄い壁、中が空洞、細かい枝分かれといった骨のような構造を与えています。ボライドスーパーカーの多くの部品は 3D プリントされており、その中にはリアウィングブラケット、ステアリングコラムブラケット、ネジと留め具、プッシュロッド、スプリングダンパー、排気管、ブレーキキャリパーなどが含まれます。

△ボリード

3. 電動パワートレイン部品電気自動車はバッテリーに蓄えた電気を使ってモーターを回し、走行に必要な電力を生み出します。したがって、電気自動車には、内燃機関車の最も重要な2つの部品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、電気自動車には、モーター、バッテリー、車載充電器、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。

最近、ポルシェとSLMソリューションは、3Dプリントを使用して電子ドライブ用の完全なハウジングを製造するプロジェクトを立ち上げました。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 プリントされた電子駆動ハウジングは、すべての品質テストとストレステストに合格しました。将来的には、これが実行可能な生産方法になるかもしれません。

△3Dプリント電子駆動ハウジング

現在、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数百個の小さなセルを固定した列です。たとえば、テスラの 85 kWh バッテリーパックは、単三電池とほぼ同じサイズのセル 7,104 個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。 AM はバッテリーの電極の構造も変えることができます。多孔質電極はエネルギー密度を高め、AM は電極材料を格子状に構築して化学反応のための露出表面積を大きくするのに適しており、より効率的なバッテリーを実現します。

現在、BMW、ダイムラー、ステランティス、フォード、GM、JLR、フォルクスワーゲンなど、いくつかの大手自動車メーカーはすでに AM を生産に使用しています。

要約と展望 総じて、航空宇宙技術の民生化は、これらの分野の科学技術レベルを向上させただけでなく、民間企業のコストを削減し、国に大量の雇用機会を創出し、社会経済の発展と社会生活の進歩を大きく促進しました。

航空宇宙から自動車分野への応用例は数多くあり、これらの技術が担う機能は、他の分野よりも航空宇宙技術とより密接に統合されている可能性があります。特にスマートカーの時代では、スマートネットワーキング、スマート運転、軽量素材などの面で自動車に新しい体験をもたらすことができます。ワイヤーコントロール、ACCアダプティブクルーズコントロール、カーボンファイバー素材などの技術はすべて、航空宇宙分野の成熟したアプリケーションによってもたらされた利便性です。多くの人が「ブラックテクノロジー」と考えるものが、最終的には一般大衆にも利用可能となり、人々に利益をもたらすことになるでしょう。

現在、航空宇宙技術の自動車への応用はもはや目新しいことではありませんが、国内ブランドにとって、この分野での道のりはまだ長いかもしれません。

今後、5G、自動運転、スマートカー、積層造形など、私たちが予測できる一連の技術の組み合わせにより、ナビゲーションや測位システムのように、歴史に残る瞬間が生まれるのでしょうか。

答えは明らかです。しかし、まず第一に、さまざまな産業分野とさまざまなトップブランド間のマルチソース技術の統合と供給統合の協力は、技術の「実装」の速度を必然的に高め、無視できない「中国製造業の新たな力」になることを確信できます。

参考文献
1. ゴン・ルイカイ。NASA の宇宙技術移転の発展に関する簡潔な分析。中国宇宙技術研究院。2018 年
2. サンバレー。NASA の宇宙技術移転開発の概要。ハイエンド機器開発研究センター。2019
3. 2019年《NASAスピンオフ》
4. https://spinoff.nasa.gov
5. 張良。新時代における宇宙技術の転換と応用の強化についての考察。北京航空宇宙工学コンサルティング株式会社。
6.3dpbm/インサイト.自動車AM.2021

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