【海外技術情報】ポルシェ：少量生産のプロトタイプ：3Dプリンターによる電気駆動パワーユニットのハウジング生産に成功

• 2020/12/28
• 川島礼二郎

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より軽く、より剛性が高く、よりコンパクトに……ポルシェが初めて、3Dプリントを使用して電気駆動パワーユニットのハウジングを製造した。レーザーフュージョンプロセス（LMF；粉末床レーザー溶融）を使用して製造されたギアボックスユニットは、同社が行った全ての品質テスト、ストレステストに合格したという。
TEXT：川島礼二郎（KAWASHIMA Reijiro）

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　ポルシェ開発センターのパワートレイン先端開発部門のプロジェクトマネージャーであるフォーク・ハイルフォート氏は「すべての利点を備えた積層造形が、電気スポーツカーの大型で高応力のコンポーネントにも適用できることを証明しています」と述べている。こうして最適化された電動パワートレインは、たとえば数量限定のスーパースポーツカーで使用できると考えられる。

プロトタイプが幾つかの開発ステップをまとめた

　先端開発部門のエンジニアは、このプロトタイプを使用することで、一度で幾つかの開発ステップを実行した。積層造形された合金ハウジングは鋳造部品よりも軽量であり、ドライブユニットの総重量を約10パーセント削減できる。それにもかかわらず、3D印刷だから可能な特殊な構造により、高応力領域の剛性は2倍になった。積層造形のもう一つのメリットは、多数の機能と部品を統合できることである。これにより組み立て作業が大幅に削減され、部品の品質が向上する。

　3D印刷は少量部品の開発と製造に新しい機会をもたらす。そしてポルシェは、高応力部品を最適化するため、積層造形の使用を積極的に推進している。わずか数ヶ月前、3Dプリントされたピストンが『911 GT2RS』高性能スポーツカーに採用されている。現在開発されている電動パワートレインのハウジングも、高品質の要件を満たしている。電気モーターと同じハウジングに2速ギアボックスが統合される。この高度に統合されたユニットは、スポーツカーのフロントアクスルで使用される。

ほとんど全ての形状で設計可能

　フォーク・ハイルフォート氏は続ける。

「私達の目標は、積層造形の可能性を秘めた電気ドライブを開発するのと同時に、ハウジングに可能な限り多くの機能と部品を統合して、重量を節約し、構造を最適化することでした」

　3D印刷ほど多くの可能性を有し、また迅速な実装を可能とする製造プロセスは他にない。設計データは治具製作などの中間ステップなしでコンピューターから直接プリンターに供給できる。部品はアルミニウム合金粉末から層ごとに作成される。これにより、冷却ダクトを備えたものなど、あらゆる形状のハウジングなどを製造できる。そして実際にポルシェでは、レーザーフュージョンプロセス（LMF）を使用して、高純度の金属粉末からハウジングを製造することに成功した。この手法では、レーザービームが部品の輪郭に対応する粉末表面を加熱して溶融させる。

　電動パワートレインの最適化は、ベアリング、熱交換器、オイル供給などのコンポーネントの設計統合から始まる。続いて、負荷とインターフェースの定義がコンピューターにより計算し、そしてロードパスが決定された。仮想開発手法の次のステップは、いわゆる格子構造を統合することによるロードパスの最適化である。この構造は自然界からヒントを得たもので、骨や植物にも同様の形状が見られる。

「この方法で部品を製造するためのソフトウェアソリューションと具体的な方法を改善することができたため、非常な短時間で仮想的に実装できるようになりました」と、パワートレイン先端開発の設計方法論とトポロジー最適化の専門家は述べている。

3Dプリントには特定の設計要件がある

　ただし、3D印刷により提供される設計の自由度は、特定の設計要件とも密接に関連している。ワークピースが融合によりレイヤーごとに生成されるという事実を考慮せねばならない。形状に大きな突起がある場合、リブなどの支持要素を計画に入れる必要がある。ただし、これらはメディアを運ぶダクトにまで拡張してはならない。したがって、設計段階でレイヤーが構築される方向を予め考慮しておくことが重要となる。現在利用可能な機械技術では、最初のハウジングプロトタイプの印刷には数日かかり、コンポーネントのサイズのためにふたつのプロセスで行う必要があった。それが最新世代の機械では、この時間を90％短縮することが可能であり、ハウジング全体をひとつのプロセスで製造できる。

　機能統合とトポロジー最適化により、ハウジングの重量は約40％削減された。これはドライブユニット全体として見た場合には約10％の軽量化を意味する。同時に剛性が大幅に向上した。わずか1.5mmの肉厚にもかかわらず、電気モーターとギアボックスとの間の剛性は、格子構造のために100%増加した。ハニカム構造は、薄いハウジング壁の振動を低減し、それがドライブユニット全体の騒音を大幅に改善する。部品の統合により、ドライブユニットがよりコンパクトになり、ドライブパッケージが大幅に改善され、組み立て作業における約40ステップが削減された。これは生産時間を約20分短縮する。追加の利点として、ギアボックス熱交換器と最適化された熱伝達の統合により、ドライブ全体の冷却が向上する。これはパフォーマンスをさらに向上させる要件となる。

　3Dプリントにより製造されたハウジングは、ポルシェの将来の製品革新において積層造形が有する可能性を示すことに再び成功した。そしてプロセス革新の分野や、ドライバーやスペアパーツ、カスタマイズなどの新しいビジネス分野における可能性をも示している。この新しい製造技術は、ポルシェにとって、モータースポーツだけでなく、特別な小シリーズにとっても技術的および経済的に興味深いものとなるだろう。