ESE E2：性能対応の画期的ワンピース炭素繊維ホイール

炭素繊維ホイールは、車両のホイール、サスペンション、サスペンションで支持されない他の直接接続部品の合計質量である非ばね質量と回転慣性を低減することで、多くのメリットを提供します。回転慣性と非ばね質量の低減（最大50%）は通常、少ない労力でのより速い加速、制動距離短縮、路面との接地性向上による操縦安定性改善（メカニカルグリップ）、ロードノイズ低減をもたらします。

しかし、ハイブリッドとオール複合材の両方で、炭素繊維ホイールの価格は多くの消費者の手の届かないところにありました。最も安価でもセットで1万ドル以上で、非常にハイエンドなスポーツカーと高級車にのみ搭載される可能性が高いです。しかし、複数のホイール企業がより安価な炭素繊維ホイールの市場潜在力を認識し、解決策を見出そうとしています。アプローチは使用材料からホイールコンポーネントの製造・結合方法まで多岐にわたります。一部は炭素繊維コンポーネントとアルミニウムを組み合わせたハイブリッドホイールを作ります。一部はプリプレグからホイールを作ります。

ESE Carbon Co.（ESE、米国フロリダ州マイアミ）は2011年設立、炭素繊維ホイールをより広い運転層に提供することを目標としています。同社は五軸CNC精密加工チーム、先進構造複合材部品能力、テーラードファイバープレイスメントマシン、ロボティクスを導入し生産を自動化。E2ラインのワンピース・ワンキュア全炭素繊維複合材自動車ホイールを来年中にリリースすることを目指しています。重量わずか17ポンド（約7.7kg）、3,850ポンド（約1,746kg）のアクスル定格で設計され、最大6,800ポンド（約3,084kg）の車両総重量定格車両をサポート可能。ESEのCEO Carlos Hermida氏によると、同等重量を支える従来のアルミホイールは30ポンド（約13.6kg）以上になります。

E2はユニバーサルスポーツ美学に基づく5スポークデザインで、凹型の深いボウルルックを持っています。Hermida氏によると、アルミニウム製ポルシェホイールのデザインに着想を得て、炭素繊維向けに最適化したとのこと。高温エポキシシステムを使用し透明度が良く、クリアグロス、クリアマット、カスタムカラーなどカスタム仕上げソリューションを提供します。

ESEの炭素繊維ホイールは、現在製造されているすべてのホイール（金属ホイール含む）に適用される既存の米国自動車技術者協会（SAE、ペンシルベニア州ワレンダル）推奨慣習の80%まで認証に到達しています。さらに、Hermida氏によると、SAEによって出版承認されたばかりの新しい複合材ホイール推奨慣習SAE J3204で認証された最初のワンピースホイールになる見込みです。金属ホイールのSAE推奨慣習と同様、この複合材ホイール向け新推奨慣習は様々な疲労・衝撃試験を通じた耐久性を扱います。また、複合材特有の環境効果を考慮した新要件も追加されています。ESEの製品開発副社長Dr. Michael Hayes氏がこの新推奨慣習のタスクフォースに積極的に関与し、データ共有と開発試験用プロトタイプ提供を行っています。社内では、ESEエンジニアリングチームがE2の性能が最低SAE推奨を超えるよう取り組んでいます。数年のプロトタイプ試験と物理ベースシミュレーションが現在のE2デザインにつながりました。

「SAEタスクフォースによる複合材ホイール慣習の策定には数年かかりました」とHermida氏。「我々の多くの試験データと知見がSAEに共有され、慣習をゴールまで導くのに役立ちました。新SAE慣習は現在のホイール慣習より厳格になりますが、消費者安全の名の下に歓迎します。」

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技術（TFP）で作成され、同社によると優れた機械的特性を持つ炭素繊維コンポーネントの高速・大量製造を可能にします。TFPは繊維束を配列し、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にステッチで固定します。この手順は、必要な形状に織物を切断する従来アプローチに代わるものです。ESEはHyosung Advanced Materials（韓国・ソウル）の工業グレード炭素繊維トウと、ZSK Stickmaschinen GmbH（ZSK、ドイツ・クレフェルド）のTFP技術を使用して、プライをステッチし、ニアネットシェイプのプリフォームを作成します。

「トウ材料のパスを制御しながら所望の形状にステッチすることで、最終プリフォームで必要な場所にのみ材料を配置できます」と、ZSKのテクニカルエンブロイダリーアプリケーションマネージャーTopher Anderson博士。「従来のラミネート設計では切り取られていた生地領域は単にステッチされません。このプロセスは、織物を形状に切断する際の初期廃棄物と、複雑な形状に適合できる能力による後工程廃棄物の両方を削減します。」

従来の炭素繊維織物で作業していたESEは、TFP技術によりプライを最大50%削減し、積層プロセスをシンプルにし、廃棄物を最小化できたとしています。Hermida氏によると、従来の炭素繊維織物では約40%だった炭素繊維廃棄物が、TFP採用で10%未満に削減されました。さらに、積層品質の向上、繊維配向の最適化、設計柔軟性の向上にもつながったとしています。

「スポークには多くの曲率があり、プライを複雑にします。従来の織物では炭素繊維プライの配向が限定されます」とHermida氏。「TFPでは、ほぼ無制限に任意の方向へ直線または曲線パターンを作成でき、従来の織物では不可能な方法で荷重と応力をより効果的に管理するよう最適化されたプライを設計できます。」

ESEホイールの最も重要なコスト削減の一つは、これらの積層改善から来ています。Hermida氏によると、TFP採用前は積層が製造ボトルネックでした。プライ削減により効率が改善され、積層時間がほぼ50%短縮されたと主張。1日あたりの金型当たり部品数が増え、ホイールあたりの時間、労働、設備投資に好影響を与えます。

総合的に、ESEはTFPがプロセスをシンプルにし、拡張性改善に貢献したとしています。Hermida氏は、トウを織物の代わりに購入することでサプライチェーン統合のコストメリットもあると指摘します。

テーラードファイバープレイスメント（TFP）について詳しく：

• Tailored Fiber Placement: Besting metal in volume production
• Variable-axial composites open path to lighter composite structures
• Preforming goes industrial: Part 2

オールインフューズド・ワンキュア炭素繊維ホイール

TFP技術への投資に加え、ESEはホイールの生産レート改善を目指しオートクレーブ加工から脱却しています。E2は、ESEエンジニアリングチームが設計したカスタムプレスを使用した独自の圧縮樹脂移動成形（RTM）プロセスで製造されます。Hermida氏によると、オールインフューズド・ワンキュアホイールの実現は挑戦的でした。鍵となる要素の一つが適切なレジンシステムの選択でした。

「低粘度、高Tg（ガラス転移温度）、高透明度、高速硬化、堅牢な特性を持つシステムが必要でした」とHermida氏。

同社はHuntsman Advanced Materials（米国テキサス州ザ・ウッドランズ）のAralditeをエポキシレジンシステムとして選択。Huntsmanによると、このシステムは低粘度でより高速な注入速度、繊維ウェットアウト、加工容易性、異なる金型条件とサイクルタイムへの柔軟な調整を提供。Aralditeにより、ESEは生産レートを向上し、ブレーキング時にホイールがさらされる高温でもリム強度を増加できると述べています。

Aralditeは、高Tg（最大200℃）の従来エポキシレジンと比較して、伸びの改善とより高い破壊靭性を兼ね備えています。

「ブレーキ熱が発生するため、これが重要な要素です」とHermida氏。

金型内時間を短縮するため、中間温度での金型内硬化に続き、金型外でのオプションの高温ポストキュアを可能にします。結果として、車両運行中の繰り返しサイクル/応力にさらされるホイールの耐久性の鍵となる優れた疲労抵抗性を持つ軽量複合材リムが得られます。

Huntsmanのテクニカル担当者がESEエンジニアリングチームと協力し、生産ニーズに適したエポキシレジンシステムと、エポキシがゲル化する前に複数のホイール金型へ注入できる十分な作業寿命を得るための理想的な成分比を決定。さらに、コンピューター生成予測硬化モデリング分析と実験室試験でESEの開発努力をサポートしました。

複合材ホイールは回り続ける

ESEは2020年Q1にロードテストを開始予定。アフターマーケットホイールの納品は2020年後半を見込み、OEMとの協議も開始済み。E2の市場デビューが迫る中、コストの問題に戻ります。現在市場にある炭素繊維ホイールの多くは、手頃な価格の車とほぼ同程度のコストです。

「炭素繊維ホイール製造は多くの面でユニークです。現在の自動化技術は我々にも利益をもたらしますが、目標とするホイール価格帯に達するには、依然として大量のカスタマイズと自動化開発が必要です」とHermida氏。

TFPの追加により、ESEはプロセス自動化で前進しています。Hermida氏によると、ホイールの後処理自動化も実現し、現在トリミング、ロボットピックアンドプレース積層、プリフォーミングなどのタスクの自動化推進に取り組んでいます。

「ESEが炭素繊維ホイールを手の届くものにすることに尽きます」と、ESEのビジネス開発副社長Daniel Canavan氏。「より多くの人々に炭素繊維技術を適用できる地点に到達するため、勤勉に取り組んでいます。」

ESEのE2は単なる競争力のあるホイール以上を目指しています。初期目標は4本セットで9,900ドル未満での提供。まだ高く聞こえるかもしれませんが、確実に正しい方向への一歩であり、Hermida氏によると同社の自動化プロジェクトがコストをさらに削減し、ラグジュアリー/パフォーマンス市場を超えた展開を可能にします。

「我々の野心はそれより遥かに大きいです」とHermida氏。「これは単なる出発点です。鍛造アルミホイールに迫る価格設定を目指します。」同等の鍛造アルミホイールは5,000-7,000ドルの範囲です。

「大量生産でこれを行う大きな絵が見えています」とCanavan氏。「電気自動車や他の市場を考え、効率を共有し、ユーザーが非ばね重量のメリット（性能、速度、安全性）を体験できるようにしたい。この技術で真に違いを生み出せる利点がたくさんあります。」