レーシングカーの製造においては、常に軽量化、加速、そして柔軟性が重視されます。フォーミュラ・スチューデントのモータースポーツ競技が開催されるたびに、シュトゥットガルト大学のGreenTeamは、世界中のライバル学生チームに勝つために、プロトタイプカーのこれらの側面を完璧なレベルまで精密に調整することに努めています。
チームは、車両のエンジニアリング設計において、部品や固定具にSLS 3Dプリンティング技術を使用しています。
自動車およびエンジン技術の学生であり、GreenTeamのチームリーダーであるオリバー・シュペンゲル氏とのインタビューで、私たちはFormlabsがGreenTeamのプロジェクトをどのようにサポートしているか、そして3Dプリンティングが車両開発と競技中に学生にもたらす利点について話しました。
電動パワーで世界ランキングの頂点へ
フォーミュラ・スチューデントは、国際的な学生向けモータースポーツおよび設計競技会であり、世界中のチームが自ら設計・製造したフォーミュラカーでさまざまな部門を競い合います。
2021年夏のフォーミュラ・スチューデント・ドイツ（FSG）競技会で、シュトゥットガルト大学のGreenTeamは、電動カテゴリーで総得点1000点中936点という新記録を樹立しました。この結果と、ヨーロッパ各地で開催されたフォーミュラ・スチューデント競技会での他の成功により、この有名なチームは現在、フォーミュラ・スチューデントの電動カテゴリーの世界ランキングで1位に位置しています。
「基本的に、このプロセスは実際のモータースポーツと同じで、学生が扱える規模に縮小されているだけです。プロトタイプカーを開発し、世界中のフォーミュラ・スチューデントチームと競うのに1年間の猶予があります」とシュペンゲル氏は説明します。
評価は専門家委員会によって、静的および動的な評価の両方で行われ、学生の成果のあらゆる側面を考慮します。最高得点の1000点を獲得するには、車両の加速、エンジニアリング、資金など、各評価要因のすべてが完璧でなければなりません。
3Dプリンティングによる軽量で複雑な部品の製造
GreenTeamは長年にわたり、車両製造に3Dプリント部品を使用しています。これにより、時間的制約、限られた財源、レーシングカーの軽量化など、複数の基本的な課題を同時に克服することができます。
チームは、冷却システムや駆動系部品、および車両の様々な固定具に選択的レーザー焼結（SLS）3Dプリンティング技術を使用しています。
「これらの部品のほとんどは冷却システムで使用されています。なぜなら、このシステムは、他の製造プロセスでは製造できないか、非常に高コストで重量も重くなってしまう、非常に複雑で小型の部品で構成されているからです」とシュペンゲル氏は説明します。
「一般的に言えば、それが3Dプリンティングの主な利点でもあります。設計の柔軟性が非常に高く、部品の重量を大幅に削減できるだけでなく、製造の時間とコストを大幅に節約できます。」
オリバー・シュペンゲル氏
部品の複雑さは、空冷システムの構成要素で特に顕著です。
最適な空気の流れを確保するため、空冷システムは、内部ファンに空気を送ったり、様々な部品から可能な限り早く空気を排出したりするために、空気を制御するよう細心の注意を払って設計された部品に依存しています。
Nylon 12製のエアダクトが、高電圧バッテリーパック（表示されている部品の背面部分）に取り付けられ、ユニットを冷却しています。
GreenTeamの電動車の動力源である高電圧バッテリーの効果的な空冷は、駆動システムの潜在的な電力損失を防ぐために非常に重要です。
「電力損失は避けられないため、常に損失を最小限に抑えることが重要です。言い換えれば、より大きなバッテリーを使用する必要があり、それは車両の重量増加と速度低下につながります」とシュペンゲル氏は述べています。
効率的な小型部品の製造に加えて、SLS 3Dプリンティング技術で使用されるナイロン素材は、部品が車両全体の重量に大きく影響しないようにするのにも役立っています。
「このような複雑な部品を製造する場合、3Dプリンティングは、この短期間で車両を製造し、期待する品質基準を満たすことができる唯一の製造方法です。」
オリバー・シュペンゲル氏
従来の製造方法に対する利点
GreenTeamの長年のモータースポーツ経験から、チームリーダーのオリバー・シュペンゲル氏は、SLS 3Dプリンティングと従来の製造方法による部品製造を比較することができます。
前述のように、SLS 3Dプリンティングの利点は、主に軽量化、時間、コストにあります。これら3つの要素の例は、従来の製造方法と3Dプリンティング技術を直接比較することで見ることができます。これは、サイドウィングに取り付けられた冷却システムポンプの取り付けベースなどの小型部品の場合です。
「通常の製造方法で冷却ポンプの取り付けベースを製造する場合、金属板から作られ、それ自体が重いです。レーザーカットして曲げる必要があり、これを行うには2つの製造業者が必要です。その後、さらに後処理が必要になり、表面コーティングが必要になる場合もあります」とシュペンゲル氏は説明します。
サイドウィングにある冷却システムポンプ用の小型取り付けベースは、Fuse 1プリンターでプリントされました。
「もちろん、SLS 3Dプリンティングははるかに簡単でありながら、私たちに非常に大きなエンジニアリングの柔軟性をもたらします。ファイルをプリンターに送信するだけで部品がプリントされ、取り出してすぐに車両で使用できます。」
オリバー・シュペンゲル氏
ナイロン素材の利点
ナイロン部品の寸法安定性と耐薬品性は、レーシングカーが極端な温度差の下で動作する場合でもこれらの特性を維持する必要があるため、非常に重要な要素です。
「競技中、冷却システムの水温は約60度から80度になります。金属はこのような温度変動で腐食する傾向があります。一方、腐食による堆積物は、ウォーターポンプなどのデリケートな部品に損傷を与える可能性があります。この特有の問題は、SLS技術でプリントされたプラスチック部品を使用することで、様々な点で回避できます。」
オリバー・シュペンゲル氏のコメント
SLS技術でプリントされ、含浸処理された水冷システム用のホースジョイント。
水冷システムで使用する場合、ナイロン部品は、プラスチック部品を水が透過したり漏れが発生するリスクを低減するために、後処理段階で含浸処理されます。
SLS 3Dプリンティングに加えて、シュトゥットガルトの学生チームは、よりシンプルなプロトタイプ部品にはFDMプリンティングも使用しています。しかし、車両に実際に取り付ける部品については、Formlabs Nylon 12 Powderの材料特性から、主にSLSプリンティングを選択しています。
「FDM技術でプリントされた材料は、各層が分離する可能性があり、部品に漏れが生じる可能性があるため、私たちには適していません。これは大きな問題です」とシュペンゲル氏は説明します。
SLS 3Dプリンティングは、FDMプリンティングに比べて重要な利点があります。それは、等方性の特性を持つ部品を製造できることです。これは、競技中に車両にかかる力や様々な環境に耐えるのに適しており、優れた耐腐食性も備えています。
上記のようなナイロン部品の優れた特性により、自動車および航空宇宙産業において、最終用途部品としてその利用が増加しています。GreenTeam Stuttgartのフォーミュラカーも、この傾向の一例です。
次のステップ：チャンピオン防衛
今年の5つの競技会での予選通過を経て、シュトゥットガルト大学の新しいシーズンを妨げるものは何もありません。タイトなスケジュールの中、チームはレーシングカーの組み立てにおけるエンジニアリング作業の最終的な詳細を詰めています。その後、テスト走行のために車両が初めて稼働します。
昨シーズン優勝したレーシングカーE11 Evoが初めて自力で走行しています。
SLS 3Dプリンティングは、自動車および航空宇宙産業における最終用途部品としての使用だけでなく、製造ツールのプロトタイピングや製品設計にも使用されています。
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情報源
https://formlabs.com/blog/greenteam-stuttgart-3d-printed-sls-components-formula-student/
