ワンピース、ワンキュア、注入されたカーボンファイバーホイールはすぐに転がることができます

ワンピース、ワンピースキュア。 ESEの複合ホイールのE2ラインは、テーラードファイバープレイスメント（TFP）と独自の圧縮樹脂トランスファー成形（RTM）スタイルのプロセスを使用して、ワンピースのオールカーボンファイバーホイールを製造しています。ソース| ESEカーボン株式会社

カーボンファイバーホイールは、車両のホイール、サスペンション、およびサスペンションでサポートされていないその他の直接接続されたコンポーネントの回転慣性と結合質量（ばね下質量と呼ばれる）を低減することにより、さまざまな利点を提供します。回転慣性とばね下質量のこの減少は、50％にもなる可能性があり、通常、より少ない労力でより速い加速、制動距離の減少、道路とのより良い接触（機械的グリップ）によるハンドリングの改善、およびロードノイズの減少をもたらします。

しかし、カーボンファイバーホイールの値札は、ハイブリッドとオールコンポジットの両方で、多くの消費者の手の届かないところにあります。セットで10,000ドル以上という最も手頃な価格で、ホイールは非常に高級なスポーツカーと高級車にのみ見られる可能性があります。しかし、いくつかのホイール会社は、低価格のカーボンファイバーホイールの市場の可能性を認識しており、解決策の発見に取り組んでいます。アプローチは、使用される材料から、ホイールコンポーネントの製造方法や組み合わせ方法によって異なります。ハイブリッドホイール用にカーボンファイバーコンポーネントとアルミニウムを組み合わせたものもあります。プリプレグからホイールを作成するものもあります。

ESE Carbon Co.（ESE、Miami、FL、U.S。）は、運転人口のより広いセグメントでカーボンファイバーホイールを利用できるようにすることを目的として2011年に設立されました。同社は、5軸CNC精密機械加工チーム、高度な構造複合部品機能、テーラードファイバープレイスメントマシン、およびロボット工学を追加して、生産を自動化しました。同社は来年、ワンピース、ワンキュアの全炭素繊維複合自動車用ホイールのE2ラインをリリースすることを目指しています。重量がわずか17ポンドのESEのホイールは、3,850ポンドの車軸定格に設計されており、車両総重量が6,800ポンドまでの車両をサポートできます。 ESEのCEOであるCarlosHermidaによると、同じ重量を処理できる従来のアルミホイールの重量は30ポンドを超えます。

深いボウル。 E2の5本スポークデザインは、普遍的なスポーツ美学に基づいています。 CW 写真|スコットフランシス

E2は、凹型の深いボウルの外観を備えたユニバーサルスポーツの美学に基づいた5本スポークのデザインです。エルミダ氏によると、同社はアルミニウム製のポルシェホイールの設計に着想を得ており、その後、カーボンファイバー用に最適化されました。ホイールは、透明度の高い高温エポキシシステムを使用しており、クリアグロス、クリアマット、カスタムカラーなどのカスタム仕上げソリューションを提供します。

ESEのカーボンファイバーホイールは、既存の自動車技術者協会（SAE、ペンシルベニア州ウォーレンデール）の推奨プラクティスに基づく認定の80％です。これは、金属製ホイールを含む、現在製造されているすべてのホイールに適用されます。さらに、エルミダ氏によると、同社は、SAEによる出版が承認されたばかりの新しい複合ホイール推奨プラクティスであるSAEJ3204の下で認定された市場初のワンピースホイールを所有する可能性が高いとのことです。金属ホイールのSAE推奨プラクティスと同様に、複合ホイールに関するこの新しい推奨事項は、さまざまな疲労および衝撃試験を通じて耐久性に対処します。また、複合材料に固有の環境影響を説明するための新しい要件も追加されます。 ESEの製品開発担当副社長であるMichaelHayes博士は、この新しい推奨プラクティスのタスクフォースに積極的に関与し、データを共有し、SAE委員会による開発テストのプロトタイプを提供しています。内部的には、ESEのエンジニアリングチームは、E2のパフォーマンスがSAEの最小推奨値を超えるように取り組んでいます。何年にもわたるプロトタイプテストと物理ベースのシミュレーションにより、現在のE2設計が実現しました。

「SAEタスクフォースは、複合ホイールの練習を作成するために何年にもわたる作業を行ってきました」とHermida氏は言います。「私たちのテストデータと知識の多くは、練習をフィニッシュラインに到達させるためにSAEと共有されています。新しいSAE練習は、現在のホイール練習よりも厳格になりますが、消費者の安全という名目で歓迎します。」

テーラードファイバープレイスメント。 ESEのカーボンファイバーホイールは、ZSK Stickmaschinen GmbHのテーラードファイバープレイスメントテクノロジー（TFP）を使用して作成されています。ソース| ESEカーボン株式会社

テーラードファイバープレイスメントへの転換

ESEのホイールは、テーラードファイバープレイスメントテクノロジー（TFP）を使用して作成されています。これにより、優れた機械的特性を備えた炭素繊維コンポーネントのペースの速い大量生産が可能になると同社は述べています。 TFPは、ファイバーバンドルを配置し、構造性能に必要な場所に配置し、互換性のあるベースレイヤー上の所定の位置にステッチすることで機能します。この手順は、織物を必要な形状に切断する従来のアプローチの代わりに使用されます。 ESEは、Hyosung Advanced Materials（ソウル、韓国）の工業用炭素繊維トウとZSK Stickmaschinen GmbH（ZSK、ドイツ、クレーフェルト）のTFPテクノロジーを使用して ステッチします。プライ、ネットに近い形状のプリフォームを作成します。

「2つの素材が希望の形状に縫い付けられるときにその経路を制御することにより、素材は最終的なプリフォームで必要な場所にのみ配置されます」と、ZSKの技術刺繡アプリケーションのマネージャーであるTopher AndersonPh.D。は説明します。「従来のラミネートデザインで切り抜かなければならない生地の領域は、単にステッチされていないままになっています。このプロセスにより、織物を切断して形を整えるときに発生する初期廃棄物が削減されるだけでなく、複雑な形状に準拠できるため、後処理廃棄物も削減されます。」

ESEは、TFPに移行する前に、元々は従来の炭素繊維ファブリックを使用していたが、このテクノロジーにより、プライを最大50％削減できるため、レイアッププロセスが簡素化され、廃棄物が最小限に抑えられたと主張しています。 Hermidaによると、TFPを採用することで、炭素繊維の廃棄物が従来の炭素繊維織物の約40％から10％未満に削減されました。さらに、このテクノロジーにより、レイアップ品質が向上し、繊維配向が最適化され、設計の柔軟性が向上しました。

航空宇宙グレードの牽引。 ESEは、E2にHyosung AdvancedMaterialsのカーボンファイバートウを使用しています。ソース| ESEカーボン株式会社

「スポークには多くの湾曲があり、プライが複雑になっています。従来のファブリックでは、炭素繊維プライの方向が制限されています」とHermida氏は説明します。「TFPを使用すると、任意の方向に直線または曲線のパターンを作成するほぼ無制限の機能があり、従来のファブリックで可能な場合よりも効果的に荷重と応力を管理するように最適化された層を設計できます。」

ESEのホイールの最も重要なコスト削減の1つは、これらのレイアップの改善によるものです。 Hermidaは、TFPに切り替える前は、レイアップが会社の製造上のボトルネックであったと述べています。彼は、プライの削減により効率が向上し、レイアップ時間が約50％短縮されると主張しています。金型あたりの部品数を毎日増やすことができるため、ホイールあたりの時間、労力、設備の全体的な投資にプラスの影響があります。

全体として、ESEは、TFPがプロセスを簡素化し、スケーラビリティの向上に貢献したと述べています。 Hermidaは、ファブリックではなくトウを購入することでサプライチェーンを統合することによる追加のコスト上の利点もあると述べています。

テーラードファイバープレイスメント（TFP）の詳細：

テーラードファイバープレイスメント：大量生産で最高の金属
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オールインフュージョン、ワンキュアカーボンファイバーホイール

ブレーキングヒート。 ESEカーボンによると、ハンツマンのアラルダイトは、ブレーキング中にホイールがさらされる高温でも、生産率が向上し、リムの強度が向上したとのことです。 CW 写真|スコットフランシス

ESEは、TFPテクノロジーへの投資に加えて、生産率の向上を推進するため、ホイールのオートクレーブ処理から離れつつあります。 E2は、を使用した独自の圧縮樹脂トランスファー成形（RTM）プロセスによって製造されています。 ESEのエンジニアリングチームによって設計されたカスタムプレス。エルミダ氏によると、オールインフュージョンのワンキュアホイールを実現するのは困難でした。この重要な要素は、適切な樹脂システムを選択することでした。

「低粘度、高T _gが必要でした。 [ガラス転移温度]、堅牢な特性を備えた高透明度の高速硬化システム」とHermida氏は述べています。

同社は、エポキシ樹脂システムにハンツマンアドバンストマテリアルズ（米国テキサス州ザウッドランズ）のアラルダイトを選択しました。 Huntsmanによると、このシステムは低粘度で射出速度が速く、繊維が濡れて処理が容易であり、さまざまな金型条件やサイクルタイムに柔軟に対応できます。 ESEは、アラルダイトを使用することで、ブレーキング中にホイールがさらされる高温でも、生産率を高め、リムの強度を高めることができると述べています。

アラルダイトは、T _gが高い従来のエポキシ樹脂と比較して、伸びの向上と破壊靭性の向上を兼ね備えています。 200°Cまで。

「発生するブレーキ熱のため、それは重要な要素です」とエルミダは言います。

金型内の時間を短縮するために、システムは金型内の中間温度での硬化に続いて、金型外の高温でのオプションの後硬化を提供します。その結果、優れた耐疲労性を備えた軽量の複合リムが実現しました。これは、車両の運転中に繰り返しのサイクリング/ストレスにさらされるホイールの耐久性の鍵となります。

ハンツマンの技術担当者は、ESEのエンジニアリングチームと協力して、どのエポキシ樹脂システムが生産ニーズに適合するか、エポキシがゲル化し始める前に複数のホイールモールドを注入するのに十分な長さの作業寿命を達成するための理想的なコンポーネント比率を決定しました。さらに、同社はESEの開発努力を支援するために、コンピューターで生成された予測的硬化モデリング分析と実験室試験を提供しました。

複合ホイールは回転し続けます

自動化。 ESEは、トリミング、ピックアンドプレースの自動化、プリフォーミングなどのタスクの自動化を推進するために取り組んでいます。ソース| ESEカーボン株式会社

ESEは2020年第1四半期にロードテストを開始します。アフターマーケットホイールの納品は2020年後半に予定されており、ESEはOEMとの話し合いを開始したと述べています。 E2が市場に登場する準備ができているので、問題はコストに戻ります。現在市場に出回っているカーボンファイバーホイールのほとんどは、手頃な価格の車とほぼ同じ価格です。

「カーボンファイバーホイールの製造は多くの点でユニークです。現在の自動化テクノロジーは私たちに利益をもたらしますが、私たちが望むホイールの価格帯に到達するには、自動化の大量のカスタマイズと開発が依然として必要です」とHermida氏は言います。

TFPの追加により、ESEはプロセスの自動化を前進させています。 Hermidaによると、同社はホイールの後処理も自動化できており、現在、トリミング、ロボットによるピックアンドプレースレイアップ、プリフォーミングなどのタスクの自動化を推進しています。

「ESEがカーボンファイバーホイールを実現可能にするのは、ESEの事業開発担当副社長であるダニエルカナバンです」と述べています。「私たちは、炭素繊維技術をより人口の多い人々に適用できるようになるまで、熱心に取り組んでいます。」

ESEのE2は、市場で競争力のあるホイール以上のものになることを目指しています。最初の目標は、 $ 未満で4つのホイールのセットを提供することです。 9,900。これはまだ高額に聞こえるかもしれませんが、間違いなく正しい方向への一歩であり、エルミダ氏は、同社の自動化プロジェクトは、ラグジュアリー/パフォーマンス市場を超えて到達するためのコストを削減するのに役立つと述べています。

「私たちの野心はそれをはるかに超えています」とエルミダは言います。「これは出発点にすぎません。私たちの目標は、鍛造アルミホイールのすぐそばにある価格を設定することです。」同等の鍛造アルミホイールは5,000ドルから7,000ドルの範囲です。

「大量生産でこれを行うことの全体像が見えます」とCanavanは言います。「私たちは、効率を共有でき、[ユーザー]がバネ下重量のメリット（パフォーマンス、速度、安全性）を体験できる電気自動車やその他の市場を考えています。このテクノロジーには、真に違いを生むことができる多くの利点があります。」

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樹脂