3Dフィラメントワインディング技術で車両シートを革新、超軽量ハイブリッドシート実現

サステナビリティと環境責任が自動車業界の技術トレンドの主要ドライバーになりつつあります。低エネルギー・低排出車両が国際自動車セクターの優先事項となり、電動モビリティや都市航空モビリティ（UAM）など代替輸送技術へのトレンドが加速しています。OEMはこれらの将来的な移動モードのイネーブラーとして新材料・新プロセスを模索していますが、自動車セクターの変化は往々にして緩やかです。新材料・新プロセスが完全に採用されるには、認定取得に加え、コスト効率が良く、大量生産を可能にする必要があります。

超軽量シート。 ULBS（Ultra Leichtbausitz）シーティングコンセプトは、複数企業の協業により複数技術の組み合わせで開発されました。Source: csi entwicklungstechnik

より良いシートの構築

最近、自動車セクターのみならず、ハイパーカーやエアタクシーなど新興市場への可能性を秘めた革新的プロジェクトが、新材料・新プロセス・新技術と企業間の緊密な協業が、次世代輸送モードをどう可能にするかを実証しました。プロジェクトの目標は、最先端の生成技術を用いて車両シートを完全に再考し、必要な場所に必要なだけの適切な材料を使用し、かつ短期間で成果を出すことでした。その結果、シミュレーション駆動設計アプローチ、アジャイルプロジェクト管理手法、参画企業間の緊密な協力とシステム統合により、設計から製造までわずか7か月で超軽量・金属複合ハイブリッド車両シートプロトタイプが開発されました。

Ultraleichtbausitz（ULBS）プロジェクト

ULBS超軽量シート実証スタディは、複数企業の協業と技術組み合わせで開発されました。プロジェクトのビジョンは、グループの言葉を借りれば「市場で突出した重量最適化を実現する超軽量シーティングコンセプトの創造」です。発起企業であるcsi entwicklungstechnik GmbH（csi、ドイツ・ネッカーズルム）、Alba Tooling & Engineering（オーストリア・フォアシュタウ）、Automotive Management Consulting（AMC、ドイツ・ペンツベルク）が、Covestro（ドイツ・レバークーゼン）、LBK Fertigung（ドイツ・フリードベルク）、Robert Hofmann（ドイツ・リヒテンフェルス）、3D|CORE（ドイツ・ヘルフォルト）と協業してプロトタイプシーティングコンセプトを開発しました。

協業プロジェクトの成果は、クッション、構造フレーム、機能インサート、車両取付用シーティングコンソールを含めて10kg強というシートプロトタイプです。市販の同等軽量シートより20%軽量で、それらの多くはアフターマーケット品です。CSIで軽量設計を担当するULBSプロジェクトリーダーのStefan Herrmann氏によると、現在市場に12kg未満の競合シートは存在しないとのことです。

「ただし、直接比較はしばしばリンゴとミカンの比較になります。アフターマーケットシートはシーティングコンソールを重量定義に含まないことが多く、またULBSの着座快適性は同重量クラスのシートより大幅に高いです。既存シートはバケットシートでさらに軽量だが快適性に劣るか、伝統的なスーパースポーツシートで大幅に重いのが現状です」とHerrmann氏。

革新的技術の数々

ULBSには複数の革新技術が採用されており、中でもプロセス技術xFK in 3Dベースの繊維ロービングスケルトン構造が最も顕著な役割を果たしています（「フィラメントワインディングの再発明」でxFK in 3D等の詳細を参照）。この受賞技術の根本的意義は、設計自由度、シミュレーション駆動・材料最適化された負荷方向への精密な繊維配置、繊維材料のシンプル・コスト効率・廃棄物フリーな適用にあります。このフレームワーク構造での負荷伝達には3Dプリント部品を使用。最高負荷がかかる背もたれ取付部などには、高強度・高弾性率のステンレス鋼3Dプリント構造を、低負荷領域にはアルミニウム3Dプリントを採用しています。

車体ホワイトボディ（BIW）構造、自動車内外装、CFRPおよびアディティブ・マニュファクチャリングを専門とするエンジニアリング会社csi entwicklungstechnikが、AMC発案のアイデアに基づきプロジェクトを統括・調整しました。csiはスタイリング、サーフェシング、コンセプト、シミュレーション、設計エンジニアリング、プロジェクト管理を担当。

Herrmann氏は説明します。「csiはデジタルプロセスチェーン領域のワークパッケージ、すなわちスタイリング、エンジニアリング設計、サーフェシング設計、CAEシミュレーション、トポロジーシミュレーション、検証シミュレーション、プロジェクトのバーチャル確認を担当しました。」

ULBSプロジェクトの特筆点は、革新的材料・製造手法の使用だけでなく、複数の新しいコンポーネント設計を含む複雑な部品を、パートナー間の緊密な協業によりわずか7か月という短期間で開発した点にあると強調します。

フィラメントワウンドシートフレーム。 ULBSプロジェクトの軽量化の大部分は、AMCのファイバーワインディングプロセス技術xFK in 3Dによるものです。Source: csi entwicklungstechnik

フレームのワインディング

ULBSプロジェクトの軽量化の大部分は、AMCのxFK in 3Dによるものです。これは、コンポーネントをワインディングするための高柔軟性・設定可能・コスト効率・持続可能な繊維複合材技術です。

xFK in 3Dは、様々な業界・市場セグメント向けの多様な製品・用途で既に使用されています。SGL Group（ドイツ・ヴィースバーデン）は、JEC World 2018でこの技術で製造された自動車・自転車部品を複数展示しました。展示品の一つ、AMC開発のカーボンファイバー自転車チェーンリングは、アルミ版比で最大70%の軽量化を実現したとされています。

ワインディングブッシング。 エポキシ樹脂含浸繊維ロービングがポジショニングフィクスチャーに巻き付けられ、各部品の負荷と望ましい機能に合わせて繊維を配向できます。Source: csi entwicklungstechnik

xFK in 3Dプロセスは、熱硬化性樹脂含浸連続繊維を用いて負荷支持構造を廃棄物フリーでワインディングします。エポキシ樹脂を含浸させた繊維ロービングを、ポジショニングフィクスチャーまたはワインディングブッシングに巻き付け、各部品の負荷と望ましい機能に特化して繊維を配向させます。

「xFK in 3Dの大きなメリットの一つは、構造における負荷伝達と負荷導入に関する弱点を排除できることです」とHerrmann氏。「弱点は構造の連続体ではなく、隣接コンポーネントが構造に接続される領域、特に負荷が構造に導入される箇所にあることが多いです。xFK in 3D技術は接合部での負荷伝達を可能にし、希望するコンポーネント機能と負荷ケースに合わせて繊維を配向し、三次元で製造できます。」

フィラメントワインディングプロセスには追加メリットもあります。材料廃棄物を最小化し、繊維ロービングの1%未満しか廃棄されません。

csiはxFK in 3Dの強みを認識し、AMC技術責任者Dr. Clause Georg Bayreutherのコンサルティングの下、ULBSシートフレームをこのプロセスで構築するよう設計しました。

「csiエンジニア、AMCコンサルタント、Albaのツーリング専門家が協働し、xFK in 3Dプロセスで製造するシートフレームのコンセプトと構造を開発しました」と、xFK in 3D技術の開始者兼テクノロジーコンサルタントのPeter Fassbaender氏。

AlbaはCFRPシートフレームのツーリングを製造し、エンジニアリングサポートも提供しました。また、シートフレームはカーボンファイバーでワインディングされていますが、天然繊維や玄武岩繊維も良い候補です。

新技術。 ULBSプロトタイプは、イントララミナ強化コア（IRC）材料製バックパネルシェル、熱可塑性ポリウレタン（TPU）製3Dプリントシートバックレストクッションなど、複数の新技術を組み合わせています。Source: csi entwicklungstechnik

ハイブリッド材料構造

フレームに加え、ULBSプロトタイプにはさらにいくつかの革新が含まれます。ツーリングを供給したAlbaは、シートのフォームボディのツーリング、エンジニアリング、製造も担当し、シートの組立も実施しました。繊維フリースマットがシートのCFRPフレームを覆い、さらに3DプリントPURフォームカバーが被せられます。シートクッション部は従来型フォームです。

更なる軽量化は、シートバックレストのバックパネルシェル構造に3D|CORE（イントララミナ強化コア（IRC）材料）を使用することで達成されました。この材料は、押出ポリスチレン（XPS）とポリエチレンテレフタレート（PET）フォームコアボディを統合したハニカムパターンで構成される構造サンドイッチコアです。複合部品製造時にハニカム構造が樹脂で充填されることで、高い層内強度が得られます。3D|Coreは二層のガラス繊維の間に組み立てられプリフォームとなり、真空支援樹脂移動成形（VA-RTM）で熱可塑性エポキシ樹脂を注入します。

Covestroは、繊維フリースマットのバインダーとして、また3Dプリントバックレストクッション用としてDispercoll接着剤を供給しました。Herrmann氏によると、Dispercollの機械的特性が優れた耐摩耗性を提供し、これはクッションとフレームの接触によりフリースが経年で摩耗するため重要です。

「単一繊維ロービングをテキスタイルに入れると、硬いCFRP部品とフリースマット間でマイクロムーブメントが生じます。シーティングフレームコンポーネントがテキスタイルと擦れて破壊してしまうのです」とHerrmann氏は説明します。

従来型シートは通常、クッションを支える面積が大きく、この問題はありません。しかしxFK in 3Dではフレーム構造ゆえに接触面積が小さくなります。

「xFK in 3D構造がフリース生地に押し付けられる際、特定の耐久性あるバインダーが必要です。これがこの文脈でのDispercollの役割です」とHerrmann氏は付け加えます。

Covestroはまた、世界初とされる3Dプリントクッションも供給しました。従来型で金型集約的なフォームがシートバックレストで通常使用されるのに対し、TPU（熱可塑性ポリウレタン）製3Dプリントシートバックレストクッションの採用により、ULBSシートの審美性、機能統合オプション、快適性に関する柔軟性と適応性がさらに向上します。

未来のシート

ULBSプロジェクトはいくつかの目標を達成しました。市場投入前のコンセプトながら、ハイパーカー、エアタクシー、超軽量車両、マイクロモビリティ、ヘリコプター、マルチコプター、航空機など多数のニッチ市場への対応可能性を秘めています。量産車シートより高コストであることは認めつつ、ULBSは材料コストを低減する廃棄物最小化技術を複数実証しています。他のカーボンファイバー技術と比較しても、xFK in 3Dは極めて少ない廃棄物量です。プロジェクト全体が、必要最小限の材料のみを使用することを目指しています。ULBSはまた、フレーム構造、クッション、テキスタイルに天然繊維など再生可能・持続可能資源を使用する可能性も提供します。

しかしより重要なのは、短期間のアジャイルな調整手順を通じた企業間協業により、いかに市場投入までの時間を最小化できるかを実証した点です。また、機能要件に焦点を当て、将来の応用とサステナビリティ目標を見据えたデザインシンキングを用いて、アイデアからハードウェアプロトタイプへ製品を成功裏に導く好例でもあります。