自動車の軽量化を実現する製造プロセス

自動車の軽量化は、内燃機関自動車の燃費を向上させ、電気自動車（EV）の航続距離を延ばすために不可欠である。車両重量を10%軽量化すれば、燃費を6～8%改善でき、二酸化炭素排出量も削減できる。 ^[1]. .燃料の使用量が減るということは、排出量も減るということであり、環境の持続可能性にとっても素晴らしいことである。.

燃費や航続距離の改善だけでなく、自動車を軽量化することで、ブレーキ、ハンドリング、加速などの性能を大幅に向上させることができる。また、軽量化によってサスペンション、ブレーキ、タイヤへの負担が軽減され、摩耗や損傷が少なくなる。長期的には、これらの部品が長持ちし、メンテナンスの回数が減ることになる。.

では、メーカーはどうすれば自動車部品を軽量化できるのだろうか？従来の素材を軽量な代替素材に置き換えるだけで実現できるのか、それとも自動車部品の設計方法を見直す必要があるのか。

軽量化に関する “初心者神話 ”を否定する

自動車部品の軽量化には多くの誤解がある。ある考え方では、軽量化は材料の選択によって達成できるという。つまり、より軽い素材に変えるだけで、自動車を軽くすることができるというのだ。.

この誤解に基づき、彼らは製造工程を次のように見ている。 自動車用射出成形, ツーリングそして CNC加工 を、決められた設計図に従う “労働者 ”の役割にすぎないとする考え方だ。2つ目の考え方は、軽い素材を使うと安全性が損なわれるというものだ。自動車の軽量化については、どちらの考え方も正しくない。.

実際、最新の複合材料は、より優れた衝突安全性を提供することが示されている。 ^[2]. .従来の自動車に使われていた金属に比べて、衝撃エネルギーを吸収する効果が高い。.

射出成形による自動車軽量化製造

軽量化において材料の選択が重要な役割を果たすことは間違いない。しかし、最適な強度と形状は、以下のような設計の最適化と革新的な製造方法によって、重量を増加させることなくほぼ完全に達成される：

1.材料使用量を削減するための断面の中空化

かさばる部品は、内部を空洞にすることができる。この空洞は通常、以下の方法で実現される。 ガスアシスト射出成形 または発泡。例えば物理発泡では、窒素ガスや二酸化炭素を溶融プラスチックに注入する。このガスが金型内で溶融プラスチックの膨張を引き起こす。溶融プラスチックはガスの気泡を閉じ込め、多孔質で発泡体に似た内部構造を作る。.

化学発泡もよく使われ、アゾジカルボンアミド（ADC）や炭酸水素ナトリウム、クエン酸などの化学発泡剤（CBA）を樹脂に加えます。加熱するとCBAが分解してガスを放出し、物理的発泡と同じ効果が得られます。発泡させることで、固い外皮と発泡体のような芯ができます。これにより、寸法安定性を損なうことなく、材料の使用量を減らし、製品を軽量に保つことができる。.

2.リブを使って薄肉構造を補完する

自動車の軽量化製造におけるもうひとつの重要な慣行は、部品の構造的完全性を保ちながら、より薄い壁（厚さ1mm未満）の部品を作るための高度な製造技術（薄肉射出成形や真空成形など）の使用である。.

この射出成形技術は、薄い空洞への適切な充填を確実にするために、高圧、高速（1000mm/s以上）、高度な機械を使用する。薄い壁は通常 リブとガセット を使用することで、これらの特性が必要とされる場所に剛性と強度を提供することができます。リブはまた、次のような欠陥を防ぐこともできる。 シンク跡.

3.複数の部品の統合

自動車部品が複数の部品で構成されている場合、それぞれの部品を溶接または固定しなければならない。溶接や固定は、最終的に完成部品の重量を増加させる。軽量化製造では、複雑すぎる部品を再設計し、単一の射出成形工程で簡単に製造できるようにする。.

複数の部品を1つの成形品にまとめることで、リベットやボルトのような二次的な留め具が不要になり、部品の軽量化が図れる。しかし スナップフィット・デザイン 組み立ての際に余分なファスナーを必要としない場合は、次のものを追加する必要がある。 リフター または スライダー, これは潜在的にコスト増につながる。部品統合が自動車軽量化にもたらすその他のメリットには、以下のようなものがある：

• 単一の連続した部品で構造体を作ることは、接合部に弱点が生じる可能性のある複数の部品をつなぎ合わせたものに比べて、構造的な完全性が高いのが普通である。.
• 統合によって、メーカーはより少ない労働力とコストでより多くの部品を作ることができる。.

ご興味のある方は “ICEとEVの部品製造の違い“.

CNC加工による自動車軽量化製造

コンピュータ数値制御機械加工（CNC機械加工）は、一般的な減法的製造法のひとつである。この製造工程では、あらかじめプログラムされたソフトウェアが工作機械を制御し、材料の塊（木材、プラスチック、金属）を目的の部品や製品に正確に切断する。.

加工ツールの精度が高いため、この技術は複雑なデザインの作成に役立つ。また、高度な自動化により人為的ミスや介入が排除されるため、製造業者の人件費節約にもつながる。この技術を使って作られる一般的な自動車軽量部品には、以下のようなものがある：

• 電気自動車用モーター部品および冷却システム
• シャシーとサスペンション（コントロールアームとブラケットを含む
• エンジンブロック、ピストン、シリンダーヘッド、クランクシャフトなどのエンジン部品

CNCマシニングが軽量製造に欠かせない理由のひとつは、その材料の多様性にある。アルミニウム、カーボンファイバー、チタン合金、マグネシウム、その他の特殊プラスチックなど、さまざまな素材から部品を作ることができます。これらの材料は、強度対重量の比率で選択されることが多い。.

最適化された軽量コンポーネントを作成する際には、高い寸法精度を維持することが極めて重要です。寸法の不正確さは、製品や部品の性能、機能性、構造的完全性を損なう可能性があります。5軸マシンのような最新の多軸CNCマシニングは、複雑な多次元部品を作成することができます。CNC機械加工を使用して実現できる高度な軽量製造設計の修正には、以下のようなものがあります：

• 複雑な中空または内部チャンネル： エンジン部品や冷却プレートのような自動車部品の中空部分の設計では、CNC機械加工を使用して、手作業では実質的に不可能な方法で、内部部品から材料を正確に除去します。自動車の軽量化部品を作るために、この技術を使用して強度が必要ない部分を空洞化し、部品の重量を削減することができます。.
• 公差の厳しい部品の作成 CNCマシニングは、極めて高いレベルの精度（約±0.01mm）、正確さ、一貫性を達成するために使用することができます。この精度の向上により、すべての部品が完璧にフィットし、可能な限り薄い材料を使用することで安全性を高めることができます。.

CNC加工の高い精度は、他の従来の方法と比較して材料の無駄を削減する方法で生産を最適化します。これは、高性能で高価な材料を使用する自動車の軽量化製造に特に有効です。.

ハイブリッド製造による自動車の軽量化

ハイブリッド製造とは、軽量部品を作るために異なる製造技術を組み合わせることを表す用語である。例えば、CNC機械加工（減法的製造プロセス）は、次のような組み合わせとなる。 3Dプリンティング (アディティブ・マニュファクチャリング・プロセス）を使って、どちらの方法でも実現が難しい、公差の厳しい複雑で軽量な部品を作ることができる。.

3DプリンティングとCNC加工によるハイブリッド製造

ハイブリッド製造は、材料効率、設計、仕上げにおいて、それぞれの技術の補完的な強みを活用する。一般的なハイブリッド軽量製造は、3DプリンティングとCNC機械加工の力を組み合わせたものです。.

3Dプリンティングは、中空チャンネルや格子のような非常に複雑な内部形状を作成するために使用されます。ハイブリッド製造は、他の方法にはない設計の自由度を実現します。この付加製造プロセスの最大の強みは、構造的完全性を損なうことなく、この種の複雑な内部形状を作成できることです。しかし、公差や仕上げの面では劣ります。.

そのため、軽量素材を使用して中空パーツを3Dプリントした後、後加工でCNCマシニングを使用することで、次のようなことが実現できる。 希望する公差と極めて高い精度 (内部構造では±0.002mm）、外部では滑らかな表面仕上げ（Ra0.4μm）を実現している。3DプリントとCNC機械加工を含むハイブリッド軽量製造プロセスを使用するその他の利点は以下の通り：

• 材料廃棄の大幅な削減： まず3Dプリンターで中空形状を作成し、CNC機械加工で最小限の材料を取り除くだけでよいので、廃棄物とコストを削減できる。.
• より速い生産サイクル： 3DプリントとCNC機械加工は自動化できるため、両方を組み合わせることで、製造工程を遅らせる可能性のある手作業による部品の移動をなくすことができる。.
• 生産工程の合理化： 統合ソフトウェアが両方のプロセスを管理することで、非効率やエラーをなくすことができる。.

3Dプリンティングと射出成形によるハイブリッド軽量製造

3Dプリンティングは、特にVoxelfillプロセスにおいて、射出成形と組み合わされることが多い。 ^[3]. .このプロセスはAIM3Dによって開発され、特許を取得した。Voxelfillプロセスは、レイヤー・バイ・レイヤー3Dプリント部品のZ軸に関連する弱点を克服するために、次のような2段階の製造プロセスを使用します：

• 最初のステップは、3Dプリンターによる格子構造の作成だ： ハニカムのような構造は、複合材押し出し造形システムを使って3Dプリントされる。.
• 第二段階は、格子の充填（ボクセル充填）である： 押出機を使用して、熱可塑性材料を格子内部の空洞に注入する。充填材は発泡体であり、重量を増加させることなく剛性と強度を高めることを目的としている。.

軽量製造の未来は、マルチマテリアル設計（MMD）を中心に展開される。MMDでは、材料を一律に置き換えるのではなく、特定の要件に最適な材料を適切な場所に戦略的に配置する。例えば、高い衝突安全性が求められる部分には高強度鋼を使用し、軽量化が優先されるアウターパネルにはアルミニウムを使用するといった具合だ。.

参考文献

[1] 米国エネルギー省.(n.d.). 自動車・トラック用軽量素材. .エネルギー効率・再生可能エネルギー局.https://www.energy.gov/eere/vehicles/lightweight-materials-cars-and-trucks

[2] テネシー大学ノックスビル校。(2023年2月27日）。. 博士課程の学生が複合材の衝突安全性をかつてないほど深くテスト。. 土木環境工学科。. https://cee.utk.edu/phd-student-tests-composite-crashworthiness-in-unprecedented-depth/

[3] Engineering.com.(2022年10月24日）. Voxelfillのプロセスとは？ エンジニアリング・ドット・コム. https://www.engineering.com/what-is-the-voxelfill-process/