複合材が電動ごみ収集車を軽量化、効率と持続可能性を向上

Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS Dresdenは、他の5つの中央ドイツ研究機関・企業と連携し、UTILITAS（「市営業務における商用車向け超軽量構造」）プロジェクトを開始しました。これは、地域で利用可能なリソースを用いて自治体が気候保護目標を達成するための持続可能でコスト効率の良いソリューションを目指すものです。共同で、軽金属と繊維強化複合材プラスチックで作られたより優れた収集容器を建設します。これらのソリューションは、従来のごみ収集車の重いスチール上部構造を、3分の1軽量な代替品で置き換えます。

「この新世代の電気自動車なら、クラシックな小型ごみ収集車と同量のごみを1回の積載で運べます」と、Fraunhofer IWS Dresdenの接合・繊維複合材技術グループ責任者Annett Klotzbach氏は強調します。

しかし、プロジェクトの包括的目標は、単に「より良い」ごみ収集車を建設すること以上の意味を持ちます。「だからこそ、容器だけでなく、関連する実用的な生産技術も開発しています」とKlotzbach氏は説明します。「重要な点は、新しい容器が少量生産でも採算が取れ、現地の工場で迅速に修理できることを保証することです。」プロジェクトパートナーは、アルミニウムフレームとガラス繊維強化熱可塑性パネルによる容器構造を採用し、様々な接合方法もテストしています。

写真提供：Fraunhofer IWS

Fraunhofer IWSで開発された新規接合技術の一つ、「HeatPressCool-integrative」（HPCi）も採用されています。レーザーでアルミニウム部品を粗面化し、ピンより細く深さ約200マイクロメートルの溝を金属に形成。その後、工具でプラスチック部品をアルミニウム支柱に押し付け、金属を短時間加熱します。このプロセスで、熱可塑性樹脂がアルミニウム表面で溶融し、レーザー形成溝に流れ込み、冷却時にアンカー効果で固定されます。数秒でアルミニウムと複合材プラスチックが永久的かつ強固に接合されます。

開発協力の過程で、IWSエンジニアは接合軽量容器の長期耐久性をネジや接着剤ソリューションと比較検証することも目指しています。Fraunhofer IWSによると、容器は日常使用で高負荷に耐える必要があり、例えば車両メカニズムが回収ごみを圧縮する際などです。過去の実験では、HPCi接合容器が接着構造より特に耐久性が高く、修理もはるかに容易であることが示されています。測定では、HPCi接合部は油圧アーム圧力に相当する最大25メガパスカルの引張力に耐えられます。

IWS専門家は、この新接合プロセスがごみ容器構造だけでなく、航空機、鉄道、産業施設、船舶の軽量構造にも適していると確信しています。産業顧客も食洗機など家電製品の生産でHPCiを使用する意向です。一方、プロジェクトの新接合技術の広範な実用化を支援するため、ドレスデンの研究者たちは、標準ハンドドリルと大差ないサイズのコンパクトなHPCi接合ガンを開発しました。これらはモジュール式にロボット搭載可能で、少量軽量生産を迅速に開始できます。この新ツールが非常に有望であるため、Fraunhofer科学者たちは近くHPCi接合ガンを量産する会社を設立する意向です。

写真提供：Fraunhofer IWS

現在の開発状況では、新軽量容器を搭載した初の電動ごみ収集車が、まもなく多くの大都市の都市風景を形作るでしょう。「容器プロトタイプは2021年初頭までに完成予定です」とKlotzbach氏は発表。「2年以内に最初のごみ収集車が道路を走ることを期待しています。」開発者は自治体企業を主な顧客と想定しています。

UTILITASプロジェクトには6パートナーが参加：Fraunhofer IWS Dresden、Chemnitz University of Technology構造軽量設計・プラスチック加工講座（ケムニッツ）、Marko Pfaff & Co. Spezialfahrzeugbau GmbH（バッド・ラウジック）、Car systems Scheil GmbH & Co. KG、PROFIL Verbindungstechnik GmbH & Co. KG（フリードリヒスドルフ）、EBF Dresden GmbH（ドレスデン）。