自動車軽量化のカギは <材料と製法の選択>にあり!


大気汚染にさらされた都市、乱高下するするガソリン価格、水力破砕や海洋掘削が環境に与える影響への懸念。乗用車であれ商用車であれ、燃費を向上すべき理由は数多くあります。

燃費向上に向けた最も望ましい方法の一つに、自動車の「軽量化」があります。車体が軽ければ軽いほど、消費燃料は少なくなり、燃料が少なければ少ないほど、空気はきれいになり、かけがえのない化石燃料への依存を減らすことができます。つまり、自動車の軽量化は理に適った、賢明な取り組みであるといえるでしょう。

米国政府の考えも同様です。米運輸省は1975 年から、厳格な企業平均燃費(CAFE)基準を自動車メーカーに課し、燃料の消費量を低減できないメーカーは厳罰に処するとしてきました。燃費効率に関する基準引上げの次回協議がまもなく開催され、2025 年までに自動車と軽トラックの「平均」燃費を1 ガロン※当たり54.5 マイル※にすることが求められるようになる見通しです。

この基準の元となる計算は複雑なために、人によって解釈が多少異なるものの、自動車メーカーとその部品供給メーカーが、軽量で燃費効率に優れた自動車部品を設計・生産するという厳しい戦いを今後数十年間、続けなくてはならないことは確かです。

規制を受けて市場が主導するこうした再設計の取り組みによって、自動車部品メーカーの製品開発活動に千載一遇のチャンスが生じています。商業部門においても、設計の簡素化、軽量化、材料数を減らす機会は山ほど存在しており、それらはすべて消費者にとっても地球にとっても有益となります。

製品・部品の軽量化の取組みは大抵は試作品づくりから始まり、試作にあたって最も重要なのは「材料と製法の選択」です。

3D rendering of monopoly house with undercuts made with side-action cams
マグネシウム製のフレームとプラスチック製のシェルを使ったバックミラー
マグネシウムへのシフト

軽量化の取り組みに着手するにあたって忘れてはならないことの一つは、小さなことから始めるということです。18 輪車用のトランスミッション ハウジングの燃費効率を高めるための再設計でもない限り、一つの部品の重さを50 ポンド※減らす必要はありません。そうではなく、乗用車の各々の構成部品から、数オンス※、あるいはそのうちの僅かな重量を削減しただけでも、CAFE 適合に向けて明確な道筋をつけることができます。かつては釘が必要なほど重かった乗用車のバックミラーを例に取ると、現在ではその大半がマグネシウム製のフレームとプラスチック製のシェルから作られており、なおかつ、旧来の重量モデルと同様の強度と機能を保っています。ポイントは、代替材と巧みな設計によって、コストと義務の要件を満たしつつも軽量化した製品を開発することにあります。設計者と技術者にとってありがたいことに、今日では数々の試作用素材や高度な製造技術が使えるようになったおかげで、かつては不可能だった、設計テストの反復、さらには設計テストの並行実施ができるようになりました。例えば4 ドアのスチュードベーカー・ラークの2019 年モデルチェンジのために、「ヘッドライトのベゼルを軽量化せよ」との業務命令を受けたとしましょう。素材の選定にあたっては、マグネシウムから検討し始めるのがよいでしょう。

マグネシウムはすべての構造用金属の中で最も軽く(密度は1 立方フィート当たり106 ポンド)、強度重量比が最も高い素材です。自動車、航空宇宙、医療、電子の各産業で確固たる実績を有し、燃料タンクから変速装置までのあらゆる製品に用いられています。またマグネシウムは、人体に大量に含まれる無機物の一つであるため、生体適合性ばかりか生分解性もあります。したがって、生分解性ポリマーから作られるもの以上の強度が求められる、自己融解性のネジ、ピンなどのインプラントの素材としてマグネシウムを選ぶのは理に適っています。

マグネシウムは通常、様々な試作品パーツの切削加工で利用されます。軽量化の際の第2 選択肢であるアルミニウムと比べると、マグネシウムは1 ポンド当たりの価格は高価ですが、33% 軽く高強度なため、コスト差分は相殺されます。また、マグネシウムはマシニング加工が容易でもあります(ただし、マグネシウムは酸素の多い環境では燃えやすいため、細かいチップや金属粒子の制御に注意が必要です)。

BMW は2005 年から、N52 型6 気筒エンジンのクランクケースとシリンダーヘッドカバーにマグネシウムを採用しています。

マグネシウム成分が屋外で燃えやすい点を懸念する声も聞かれますが、マグネシウムはどこにでもある物質なので、心配無用です。フォルクスワーゲンのビートルには数十年前からマグネシウム合金のエンジンブロックが搭載されているほか、BMW は2005 年からN52 型6 気筒エンジンのクランクケースとシリンダーヘッドカバーにマグネシウムを採用しています。加熱炉のライナーの軽量化を図るのでもない限り、多くの各種部品にとってマグネシウムは最高の選択肢となります。

自動車メーカーのビッグスリーはマグネシウムの活用においても意欲的です。ゼネラルモーターズはZ06 コルベットのエンジンクレードルに2006 年からダイカスト製のマグネシウムの使用を開始し、旧設計と比較して12 ポンドの軽量化を実現しました。フォードモーターは、2010 年リンカーンMKT のリフトゲート、さらには2011 年フォード・エクスプローラーの三列目座席にマグネシウムを採用しました。クライスラーグループは同年、ジープ・グランドチェロキーにマグネシウム製のダッシュボードを導入し、ハイウェイ燃費1 ガロンあたり23 マイルを達成しました。つまり、国内外の自動車メーカーは、強度の改善と軽量化を図るため、一様にマグネシウムへとシフトしているのです。マグネシウムは海水から抽出されるため、供給が不足することはありません。

プラスチック代替品

軽量化の面でマグネシウムとアルミニウムはスチールに代わる優れた素材である一方、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂にも確かな可能性があります。金属部品に代えて、液状シリコーンゴム(LSR)や、ガラス・金属・セラミック含有ポリマーを広く採用することにより、製造コストと重量を軽減し、なおかつ耐久性を向上することができます。

ポリプロピレンは、軟質かつ耐疲労性を有する熱可塑性樹脂で、靱性と軽量が求められる自動車の内装や電装、艇体、人工装具などの製品によく用いられています。ポリプロピレン にはホモポリマー、インパクトコポリマー、ランダムコポリマーの3 種類があります。後者2 つは、低温でも優れた強度重量比と耐衝撃性を示すため、エンジニアリングに適したグレードの素材とされます。ポリプロピレンはすべて、耐熱性を有し、融点は約華氏300 度(摂氏149 度)。また、電子レンジで使用可能で、成形品を半透明にしたり着色したりできるため、食品保管用の容器やその他の種類の軽量包装に好んで使用されています。

自動車の照明装置用にガラスに代わって使用される高透明液状シリコーンゴム

ポリエチレンには高密度ポリエチレン(HDPE)と低密度ポリエチレン(LDPE)があります。高密度ポリエチレンの用途と機械特性は、ポリプロピレンに似ていますが、剛性と反り耐性はポリプロピレンよりも優れています。低コストかつ強度が比較的高いため、地中管や水槽、薬品貯蔵タンクに広く用いられています。もう一方の低密度ポリエチレンは、高密度ポリエチレンに比べて密度が低く軟質な素材で、絞り出し容器やラップ、滑り台などに用いられています。両素材とも、靱性と軽量が必要とされる用途に適しています。

ABS は並外れた耐衝撃性と靱性を持つ熱可塑性樹脂です。ダッシュボードトリム、電子エンクロージャー、ホイールキャップ・カバーといった自動車用品に、金属の代わりとして用いられる軽量素材です。射出成形されたABS は、難燃性と帯電防止性のいずれのグレードでも多様な色合いで利用可能であり、軽量の消費財、医療・電機製品への用途が多数考えられます。多くの乗用車では軽量化を目的として、クロムめっき加工されたABS 製のホイールキャップが使用されています。ABS 製のグリルとフェンダーフレアーも同様に使用されています。また、「国際製造技術展示会2014」の会場で製造された世界初の3D プリント自動車「ストラティ」の車台にも、炭素繊維で強化されたABS が用いられていました。その重量はわずか1,100 ポンドです。

光造形法で製作された自動車用透明レンズ

ポリカーボネートは熱成形性に優れ、シースルーの建築用パネル、メガネレンズ、産業用コンピューター画面など、重量や破損の懸念からガラスの使用が不適とされる製品に頻繁に使用されています。ポリカーボネートは、耐衝撃性が普通のガラスの250 倍もあるにもかかわらず、重量はその半分に過ぎません。そのため、防弾ガラスや航空機の窓に、ポリカーボネート(又はその仲間で軟質性がわずかに高いアクリル)がよく使われています。

ナイロンも、重量剛性比率と機械特性を高める目的で、鉱物繊維やガラス繊維が充填されることもよくあります。これによってナイロンは、プロトラブズで利用できるプラスチックのうち、最も強度の高い素材の一つとなります。ナイロンには自滑性と耐熱性があるほか、耐摩耗性にも優れているため、スプロケット、ファン・ブレード、ギア、ラッチ、マニホルド、軸受面用の素材として有力です。ナイロンは極めて軽量でもあり、その重量はスチールの15%、アルミニウムの40%しかありません。

アセタールは通常、マシニング加工する試作品に好まれる素材です。ガラス繊維で強化されたナイロン材を必要とせず、優れた強度と硬度があります(ただし、剛性と耐クリープ性を高めるためにガラスを使う場合があります)。アセタールは通常、精密な金属部品の代わりとして、様々な工業用・家庭用製品、例えば、電子・燃料装置用の部品、動力伝達用の部品(ギア、ブッシング、軸受、その他の高性能部品)向けのニーズがあります。

液状シリコーンゴム(LSR)は多数の成形に使用できる素材です。2 種類の熱硬化性材料を低温で混合し、熱した金型に射出します。硬化した液状シリコーンゴムは高強度にもかかわらず柔軟性もあるため、高度な耐熱性・耐薬品性・電気絶縁性が求められるガスケット、レンズ、コネクターなどの部品に適しています。最近の車両で液状シリコーンゴムが用いられている箇所には、配線用ハーネス、パネルボタン、スパークプラグのカバーなどがあり、合成樹脂の用途は幅広いことがうかがえます。種類も豊富で、その多くは、スチールやアルミニウムで作られた現行製品を軽量化することができます。特筆すべき新素材として、Shore A 40(消しゴム並み)~ Shore D 80(ボウリング用ボール並み)の硬度で成形可能な「CoolPoly」という特殊なポリマーが挙げられます。ヒートシンク、照明シュラウドなど、通常アルミニウムで作られる熱伝導部品の代替品として考案された素材で、パーツ重量を50% 以上も軽量化できます。CoolPoly は軽量化のための大きな可能性を秘めており、電気自動車、家電、照明装置をはじめ、その用途は数え切れないほどあります。

製法の比較検討

材料を柔軟に選択できるとはいえ、どの素材がどの製造に適しているかを理解するのは良いことです。機械加工の試作品はかつて、ハンドル付きのフライス盤と旋盤を使って製作されていました。ほとんどの場合に、スチール、真ちゅう、アルミニウムが用いられ、納期は数週間を要しました。プロトラブズでは、上記いずれの素材の場合でも、工程を自動化し、最短1 日の納期対応を実現しています。弊社の切削加工はCNC マシニングセンターを使って金属とプラスチックの固体ブロック(分厚い百科事典ほどのサイズ)から製品を削り出すマニシング加工と回転する円柱ブロックから削り出す旋盤加工があります。両製法とも寸法公差は、±0.005 インチ※(±0.13 ㎜です(射出成形品の場合は、製品形状の寸法値や樹脂によって公差が異なります)。

マグネシウムの射出成形に使用する原料。これか ら密度98%のマグネシウム素材の部品が作られる

チクソモールディング
マグネシウム製のパーツを迅速に製作する工法として、チクソモールディングが増えています。チクソモールディングでは、原料となるマグネシウムチップを成形機のホッパーに入れ、シリンダ内にて加熱・撹拌すると、半固体の状態になります。それをフィーダースクリューによって圧力を加えて金型内に射出します。この工法を用いると、「切削加工で製作される」パーツの何分の一かのコストで、完全に機能するマグネシウム製のパーツを少量生産できます。

多くの製造技術者はマグネシウムといえばダイカストだと考えています。ところが、この伝統ある製法と比べて、マグネシウムの射出成形には明白なメリットが多数あります。チクソモールディングは基本的に、マグネシウムの融点のやや手前で実施する「低温」の製法です。そのため、ダイカスト部品に比べて収縮や歪みが少なく、また、射出成形によって製作された部品の機械特性は概して、ダイカスト部品より優れています。さらに、低温製法では冷却チャネルがほとんど必要ないため、それほど高性能の機械設備は求められません。また、マグネシウムスラリーを超高圧で金型に流し込む(ダイカストの2 倍の圧力となることもあります)ため、細部の極めて精巧な部品が作られます。これら総てを考慮すると、試作又は少量生産を目的としたマグネシウム部品の工法として、多くの場合、チクソモールディングが望ましいのは明らかです。

直接金属レーザー焼結はマシニング加工が難しい複雑なアルミニウム部品の製作に用いることができます

光造形法(SL)
以前からある試作品の工法の1つには、材料添加型のすべての工法のルーツとなる光造形法(SL)という工法もあります。使用する素材はプラスチックを模したものであり、製品の機能的な使用には適さないことに注意する必要があります。とはいっても、光造形法を使った試作品の精度は極めて高く、構想された軽量パーツの最初の「タッチアンドフィール(触った感じ)」のための第一歩として理に適ったものといえます。

選択的レーザー焼結(SLS)
次に取り上げる3D プリンティングを利用した工法は選択的レーザー焼結(SLS)です。パーツ特性の精度では光造形法にやや劣りますが、機能評価テストには十分です。米プロトラブズでご利用いただける全プラスチック素材の中で自動車メーカーに一番人気があるのは、ガラス繊維入りのナイロンです。これは主に、低コストで靱性が高いことが理由です(僅差で二番人気なのは、ガラス繊維入りのポリカーボネート)。したがって、光造形法と選択的レーザー焼結はどちらも軽量パーツの試作に適した工法といえます。

直接金属レーザー焼結(DMLS)
米プロトラブズが提供する付加製法でご利用が増えているのは、直接金属レーザー焼結(DMLS)です。プロトラブズの直接金属レーザー焼結では、0.0008 インチ(20 ミクロン)の薄さの金属粉からなるレイヤーを溶解し、密度98% の複雑なパーツを製作します。このようなパーツは他の工法では製作できないことがほとんどです。精度は極めて高く、上手く設計されたパーツの標準公差は、±(0.003 in.+0.001in./in.)です。(0.003 インチの基本公差に対して、更に1 インチ寸法が大きくなるごとに0.001 インチの公差値がプラスされます。)

工業グレードの金属焼結によって、3Dプリントした完全に機能的な金属部品の成形が可能です

米プロトラブズではアルミニウムとチタンに直接金属レーザー焼結を用いていますが、製品の軽量化にあたって直接金属レーザー焼結が候補となるのは明らかです。さらに、直接金属レーザー焼結は、316L 及び17-4PH のステンレススチール、コバルトクロム合金、インコネルにも用いられます。これらは軽量化よりはむしろ、際だった耐熱性と耐久性で知られる超強力金属です。軽量化についての話の中でなぜ、こういった金属を使った付加過程を取り上げるのか、疑問に感じる方がいらっしゃるかもしれません。実は、直接金属レーザー焼結を使うと、これまで設計者の空想の域を出なかった金属部品を製作できるのです。チョコレートのイースターエッグ以上に深い空洞がある部品や、エッシャーのようなカーブと球体、極薄の壁、蜘蛛の巣のような格子といった複数の要素からなるアセンブリを結合し、単一の焼結パーツを作ることができます。これらは、直接金属レーザー焼結(そして光造形法と選択的レーザー焼結)が示す軽量化の可能性のほんの一部です。

直接金属レーザー焼結は他の付加工法に比べ、時間も費用もかかります。お客様のパーツが効率良くマシニング加工や型成形できる設計であるなら、直接金属レーザー焼結は不適切でしょう。しかし、複雑なアセンブリや奇抜な形状、少量の超合金を使うようなパーツであれば、パーツの軽量化と製造コスト削減の面で、直接金属レーザー焼結は最適の手段となります。直接金属レーザー焼結の適用は、試作品のように少量を製作する場合に限りません。例えば、複雑な構造の小さいワークピース。その製作は、従来の工法では困難あるいは高コストでしたが、千単位の少量生産の場合、直接金属レーザー焼結が往々にして現実的な選択肢となります。

最後の検討課題

スチュードベーカーの再設計プロジェクトで使用する水ポン プについて考察してみましょう。ガラス入りのポリカーボ ネートを用いればインペラーを軽量かつ強靱にできるほか、 真鍮の排水栓をABS かポリプロピレンプラスチックに容易 に交換することができます。バックプレートにニッケルメッ キ加工してセラミックを充填したNanoTool 素材を使用して もよいでしょう。いずれの場合にも、形状・嵌合テスト用に 光造形法によって様々な設計を反復的に3D プリントしてから、機能評価テスト用に1 ダース前後の試作品をマシニング 加工します。その後、数千ものパーツを射出成形で簡単に製 作できます。もちろん、鋳鉄製のポンプハウジングをマグネ シウム製のものに取り替えることもお忘れなく。

軽量化にあたって、様々な可能性をすべて整理するのは、最も難しい課題の一つです。なぜなら、自動車業界での製品設計の改良とは単に、最も軽い素材が何であるかを把握して、旧来のスチールや以前から使用されている鉄をそれらに置き代えればよいという問題ではないからです。プラスチック部品は、ゆくゆくは射出成形で大量生産されるようになるとみられますが、それには正確な抜き勾配と肉厚での事前の設計が必要です。エジェクタピン、アンダーカットの領域、狭い内部半径など、多くのディテールが部品軽量化の成否を左右する可能性がありますので、これらを考慮する必要があります。

軽量化設計に着手する前に検討すべきその他の点は以下の通りです。

  • 特に射出成形された熱可塑性樹脂部品の場合、サポートリブやハニカム構造などによって、構造的完全性を維持しながら部品を軽量化します。
  • マグネシウム製の部品はアルミニウムより33% 軽く、スチールと比べると圧倒的(75%)に軽いです。
  • マグネシウムの射出成形は、大容量のダイカスト製のマグネシウム製品への迅速かつ容易な足がかりとなります。
  • 部品点数を早い段階で徹底的に解析することによって、数量が増えた場合の再設計コストを軽減できます。
  • ステンレス鋼やコバルトクロム、インコネルはアルミニウムやマグネシウムよりも重いですが、DMLS の技術によってそれらの「重金属」を、強固かつ重量効率に優れた、軽素材の代替品とすることが可能です。
  • ガラス繊維入りのプラスチックは高価ですが、優れた強度が大幅な軽量化につながることがあります。
  • 成形品の設計にあたっては、プロトラブズがオンライン上でご提供している成形性解析ツールを是非ご利用ください( 弊社に注文されない場合でもご利用できます)。
  • ヒートシンクや温度管理の用途には「CoolPoly」のプラスチックをご利用ください。CoolPoly の重量はアルミニウムや同等の熱放散素材の半分です。

軽量化の理由は枚挙にいとまがありません。軽量で靱性が高くコスト効率の良い工業製品の設計はすべての人にとって有益となり、それを製造する企業に競争上の優位性をもたらします。自動車とトラックの燃料効率の向上に向けた取り組みは、産業界にとって化石燃料の限界・温室効果ガスの増加・政府規制の拡大という3 つの困難な課題が交錯する、簡単には到達できないゴールであり続けることでしょう。

※文中の記載単位については、以下のように計算できます。
 1 オンス=約28.35g
 1 ポンド=約0.453Kg
 1 インチ=2.54cm
 1 マイル=約1.61Km
 1 ガロン(US)=約3.8 リットル