スマートエンジニアリング設計による軽量化の用途
yuta
軽量化技術は、性能の向上、エネルギー効率の向上、製造コストの削減、環境に優しい製品の実現につながります。この記事では、自動車、航空宇宙、重機、医療、スポーツ用品などの業界における軽量化アプリケーションの事例を紹介します。
nTopology
February 24, 2022
軽量化とは、「より少ない材料で、より多くのことを行う」ことであり、単なる材料の削減以上のメリットをもたらします。エンジニアは軽量化技術をさまざまな産業に応用し、幅広い製品に差別化できる優位性を与えることができます。
軽量化のメリットには、性能の向上、エネルギー消費の削減、製造コストの削減、人間工学の強化などがあります。また、軽量化はカーボンフットプリントを最小限に抑える「環境に優しい製品」を作る上でも重要な役割を果たします。
この記事では、いまエンジニアが製品開発のあり方を変えるために、どのように軽量設計技術を使用しているかを探ります。
自動車における軽量化の応用
世界各国の政府がますます野心的な持続可能性の目標を設定する流れの中、自動車業界は新たな排出ガス規制に直面しています。軽量化は、これらの規制に対応するために重要な役割を果たします。
自動車で軽量化が重要な理由とは？
自動車産業における軽量化の重要性は議論の余地がありませんが、その理由は用途によって様々です。
電気自動車（EV）
電気自動車の重量は、走行可能距離や電池の寿命に直接影響します。アメリカ人の3人に2人がEVが環境に良いことを認めていることからもわかるように、EVが気候変動への取り組みに不可欠な役割を果たすことは多くの人が認めるところですが、その普及は遅れており、自動車購入者の35％が走行可能距離への懸念がEV購入を躊躇させる要因であると回答しています。
軽量化に大きく依存している走行可能距離のさらなる向上は、今後数年でEVの普及を加速させ、消費者と環境の双方に大きな利益をもたらすでしょう。
レーシングカー＆高級車
レーシングカーや高級車において、期待されているパフォーマンスの向上を実現するためには効果的な軽量化が必要不可欠です。軽量化された車は操縦性が高く、加速と減速のトラクションが向上します。レーシングカーでは、レーストラックでの最適なスピードとハンドリングが保証されます。
オートバイ
乗用車が多くの人にとって実用目的であるのに対し、オートバイは移動手段としては少数派であり、独特の美学と「カッコよさ」を重視する愛好家が多くいます。
軽量化によって、オートバイのデザイナーは美学に対してより冒険的でユニークなアプローチをとることができ、それが製品の成功に不可欠な役割を果たすことになります。
その他の車両
軽量化素材の活用による軽量化のメリットは、乗用車、バスや電車などの公共交通機関、トラックなどの商用車など、他の車両にも当てはまります。自動車の軽量化は、燃費の向上と排出ガスの低減につながり、世界各国の政府にとって重要な目標である「環境にやさしい都市」の構築に貢献します。
軽量化に向いている箇所とは？
自動車のほぼすべての構造部品は軽量化することができます。シャーシ、ブレーキキャリパー、油圧マニホールド、エンジン部品、ドライブトレイン、サスペンション、排気システム、ホイールリム、タイヤなどです。また、シートやパネル、電子機器のワイヤーハーネスなどの内装部品についても、軽量化・軽量化を実現することができます。
どのような機会があるか？
エンジニアやメーカーは、軽量化とユニークな美的デザインを組み合わせることで、市場での製品の成功率を向上させる機会を得ています。
軽量化技術とインテリジェントな軽量化設計法を活用することで、エンジニアは軽量化の多くの利点を最大限に活かし、車両性能の向上、製造コストと材料コストの削減、燃費の低減を実現することができます。
自動車における軽量化の例
Mini Electric Pacesetterは、ABB FIAフォーミュラE世界選手権の新しいセーフティカーです。この車両には、3Dプリンターで製作されたシートが装着されています。
このシートは軽量なだけでなく、3Dプリントされたパッドが交換可能で、モジュール性と快適性、耐久性、引張強度を兼ね備えた革新的な構造になっています。シートの強度、色、硬さは、ドライバーの好み、体重、生理機能に合わせることができます。
航空宇宙産業における軽量化の応用
自動車業界と同様、航空宇宙業界も排出量に関する目標や規制がますます厳しくなっています。これらの目標を達成するために、航空宇宙エンジニアはより軽く、より環境に優しい航空機の開発に取り組まなければなりません。
自動車で軽量化が重要な理由とは？
航空宇宙産業において軽量化が不可欠な理由は、自動車産業と同様です。エンジニアは、飛行機、宇宙船、ヘリコプター、ドローンなどの軽量化によって、性能、排出量、燃費を向上させることができます。 民間航空機や宇宙船の設計では、軽量化が特に注目され、重要視されています。
民間航空機
米国の温室効果ガス総排出量の3〜4％を民間航空機の利用が占めていることを考えると、乗客は二酸化炭素排出量を減らすために、より環境に優しい航空会社を選ぶ傾向が強まっています。
環境にやさしい旅行方法への関心が高まる中、より軽量な民間航空会社は魅力的な存在となっています。このため、民間航空機の軽量化は、性能、コスト、燃費の面でメリットがあるだけでなく、航空会社の人気を高めることにもつながる可能性があるのです。
宇宙飛行
軽量化は航空宇宙にとって常に重要であり、宇宙飛行の能力を拡大するために今後も重要であり続けるでしょう。
NASAは、深宇宙探査のために宇宙船の質量を40％削減することを目指して、超軽量アーキテクト材料の開発・製造に多額の投資を行っています。
ワシントンのNASA宇宙技術ミッション本部、Steve Jurczyk氏は次のように述べています。”軽量で多機能な材料と構造は、人間とロボットの探査における将来のNASAミッションに最大の影響を与えることができるNASAの最重点分野の1つです。”
NASAが採用しているサンドイッチ構造の複合材料や多機能材料のようなアーキテクト材料は、軽量化用途において、損傷耐性や特定の剛性の達成など、他の重要な要件を満たしつつ重量を削減するためによく使用されます。
軽量化に向いている箇所とは？
航空宇宙分野では、ほとんどすべての構造部品が軽量化の恩恵を受けることができます。これには民間航空、防衛、ドローン、人工衛星、ロケット、ヘリコプターの構造部品が含まれます。熱管理システム、航空機の内装、その他のサブシステムも軽量化される可能性があります。
どのような機会があるか？
現代の航空機の多くは、数十年前に開発されたレガシーデザインやシステムに依存しています。エンジニアが軽量化を活用してこれらのレガシー設計を見直し、新しい製造技術や設計技術に寄り添うことで、航空宇宙製品を革新するチャンスがあるのです。
航空宇宙における軽量化の例
航空機やドローンに搭載されるAPUでは、軽量化が第一の優先事項であり、1グラム単位で重要視されます。KW Micro Power社は、航空宇宙グレードの高出力密度小型ターボジェネレータのハウジングを、金属アディティブ・マニュファクチャリング用に再設計しました。nTopologyを使用することでエンジニアは軽量化を図り、部品の重量を44%削減しました。
その結果、コンフォーマルチャンネルを持つ多機能軽量部品が設計され、最高使用温度を33％低減し、システムの効率を高め、機械の寿命を大幅に延ばすことに成功したのです。
この例は、軽量化が必ずしも複雑である必要はないことを証明しています。シンプルで優れた設計の内部シェルにより、部品の重量を大幅に削減することができます（この例では、合計4.5kgの軽量化）。
産業用重機における軽量化の応用
産業用重機における軽量化の利点は、有用な積載量と範囲の増加に関連しています。また、質量の軽減により効率が向上し、製造コストや運用コストを大幅に削減できる可能性があります。
産業機器で軽量化が重要な理由とは？
重機では、有効積載量と範囲の増加に貢献します。簡単に言えば、100ポンドの重量を減らすごとに、さらに100ポンドの重量を押したり引いたりすることができるのです。これにより、大幅な効率アップと作業時間の短縮、そして運用コストの削減が可能になります。
IEAが発表した報告書によると、世界の電気エネルギー消費の40％以上を産業部門が占めています。つまり軽量化は製造に必要なエネルギーを削減し、環境に優しい製造業に貢献することができるのです。
また、産業用重機の軽量化は取り扱いの簡易化にもつながり、組み立て時の作業者の安全性を向上させることができます。また、輸送コストの削減も大きなメリットとなっています。
軽量化に向いている箇所とは？
重工業製品の軽量化のメリットは、トラクター、クレーン、土木機械、大型トラック、トレーラーなど、さまざまな機器に適用できます。軽量化は、すべての重金属鋳造部品に適用でき、機能を損なうことなく軽量化を図ることができます。
どのような機会があるか？
エンジニアは、トポロジー最適化を活用して、大型鋳造部品の重量を削減できる機会があります。そうすることで機械の総重量を減らすだけでなく、その性能、強度、耐久性を向上させることができる可能性があります。
重工業における軽量化の例
3Dプリントされた砂型鋳造用鋳型と中子は、今日の高性能な大型金属部品の製造方法を変えつつあります。アディティブ・マニュファクチャリングは、現代の鋳造工場が複雑な金属部品を迅速なリードタイムで製造することを可能にします。
以下の画像は、エンジニアがトポロジー最適化などの最先端の設計技術を駆使し、AMでしか製造できない高度な鋳造機能（スプルー、ゲート、ライザーなど）を持つ金属鋳物のロボットアームを作成したものです。
この設計では、トポロジー最適化により部品の重量を40％削減し、砂型全体を直接3Dプリントしています。
医療機器における軽量化の応用
医療機器業界において、軽量化のメリットは多岐にわたります。軽量化された医療機器は、一般的に人間工学的に優れ、より安全に使用でき、製造コストも安くなります。また、カスタムメイドの義肢など、患者さんに合わせた製品を作るためにも軽量化が活用されています。
医療機器で軽量化が重要な理由とは？
患者適合型デバイスとしても知られる患者特有デバイスは、個々の患者の解剖学的および生理学的特徴と整合するように設計・製造された医療機器です。患者特有デバイスの普及に伴い、医療業界では軽量化がますます重要な役割を果たすようになっています。
患者特有デバイス
米国だけでも200万人が手足を失った状態で生活していますが、義肢装具の価格は腕や脚などの複雑な手足で合計5万ドル以上にもなります。軽量化により、カスタム義肢や様々な義肢を低コストで追加製造できるようになり、患者や医療従事者がより購入しやすい価格になります。
軽量化は、カスタムギプスや整形外科用インプラントなど、他の患者特有医療機器にも同様のメリットがあります。
軽量化に向いている箇所とは？
軽量化は、デバイス、患者、または医療提供者が、より人間工学的またはユーザーフレンドリーな製品から利益を得られるようになる場所であればどこでも適用できます。
軽い製品は短期的には使いやすく、また長期的には患者や医療従事者に大きなメリットをもたらします。軽量化がもたらす使い勝手や人間工学的な効果は、患者の予後やリハビリ時間に直接影響する可能性があります。
どのような機会があるか？
医療機器業界は、軽量化とバイオミメティックデザインを組み合わせて、自然からインスピレーションを受けた構造を作り出す機会に直面しています。バイオミメティクスとは、人間の複雑な問題を解決するために、自然界に見られるデザインやパターンを応用する革新的なデザイン概念です。
業界の専門家は、バイオミメティクスが今後数年間で医療機器の設計に不可欠な役割を果たすと予想しています。軽量化は、部品やデバイスの強度を保ちながらバイオミメティクスを活用するためのサポートとなることでしょう。
医療機器における軽量化の例
3D印刷されたギプスを設計する際に、ミシン目のように穴をあける形での軽量化の方法があり、それには副産物が付いてきます。ギプスの穴は通気性を高め、衛生状態の改善につながります。
このように軽量化により、3Dプリントギプスは強度と耐久性を維持しながら、患者の人間工学と快適性を大幅に改善することもできるのです。
スポーツ用品における軽量化の応用
軽量化は、スポーツ用品の品質向上に大きく貢献します。スポーツ用品は、使う人にとって最適な快適性、安全性、性能を提供するために、それぞれの製品に固有の特性の組み合わせが必要です。
スポーツ用品で軽量化が重要な理由とは？
「スポーツ用品」と一口に言っても、そのカテゴリーは多岐にわたるため、スポーツや用具の種類によって軽量化の重要性は異なります。
プロテクター
ニーガードやエルボーガードなどのプロテクターは、使用者を保護することが第一の目的です。重いプロテクターはアスリートのパフォーマンスを低下させる可能性があり、軽いプロテクターは保護具としての効果を損なう可能性があります。
インテリジェントな軽量化により、エンジニアは重量と性能のバランスがとれたプロテクターを設計することができ、多くの場合、敏捷性やスピードに悪影響を与えることなくアスリートの敏捷性を向上させることができます。
スポーツ用具
ゴルフクラブやラケット、バットなどのスポーツ用品は、軽量化することでアスリートのパフォーマンスや快適性を大幅に向上させることができます。軽量化された用品は取り扱いが容易なだけでなく、アスリートの疲労を軽減し、長時間の最適なパフォーマンスを可能にし、怪我につながる反復的な筋肉疲労を最小限に抑えることができます。
軽量化に向いている箇所とは？
軽量化によってスポーツ用品の目的が損なわれないのであれば、エンジニアはすべてのスポーツ用品に軽量化を適用することができます。テニスラケット、ゴルフクラブ、自転車のフレーム、バット、グローブなどが分かりやすい例ですが、これらに限定されるものではありません。
軽量化は、快適性の向上、軽量化によるアスリートのパフォーマンス向上、重心を制御することでアスリートのコントロール性の向上につながります。
どのような機会があるか？
スポーツ用品を軽量化する主な機会は、機能を低下させることなく重量を減らすことであり、これにより多くの性能上の利点を生み出すことができます。また、軽量化によって製品の重心をコントロールし、より正確な取り扱いを実現することも可能です。また、軽量化によって製造コストが下がり、スポーツ用品を販売する側の利益率が上がる可能性もあります。
スポーツ用品における軽量化の例
下の写真は、世界初のNHL認定の3Dプリントホッケーヘルメットライナーを備えたヘルメットです。CCMホッケーがCarbon社と提携して作ったヘルメットライナーで、軽量で着用者の形状にフィットします。これは、3Dスキャンによって実現されました。3Dプリントによるラティス構造で衝撃吸収性が向上し、着用者の安全性を高めることができました。
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