東京農工大学 TUAT Formula

小型フォーミュラカーを、学生がチームを組んで、企画・設計・製作し、車の走行性能だけでなく、車両コンセプト・設計・コスト審査など、ものづくりの総合力を競う「学生フォーミュラ日本大会」へ、毎年、出場している東京農工大学 TUAT Formula様にお話しを伺いました。小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3DCADデータで設計し、3Dプリンターを利用し最終製品へ組み込む為に、DMM.makeへご相談頂きました。

プロフィール

東京農工大学 TUAT Formula(http://web.tuat.ac.jp/~fsae/

東京農工大学 TUAT Formula は毎年9月上旬に自動車技術会主催で開催される「学生フォーミュラ日本大会」へ出場することを目的としたものづくりサークルです。

フォーミュラカーの設計・製作、部品の選択や調達・走行テストなどをすべて自分たちで行い、最終的に競技会で評価を受け次年度の改良・改善へとつなげています。

現在は現役メンバー26名に加え、在学中の院生やOBの協力、スポンサー各社様のご支援の下で活動しています。

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

曽山 泰生(そやま たいき)
東京農工大学 TUAT Formula
機械システム工学科 / 吸排気班

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

島袋 幸太郎(しまぶくろ こうたろう)
東京農工大学 TUAT Formula
機械システム工学科 / 吸排気班

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

OB:今井 雅人(いまい まさと)
東京農工大学 TUAT Formula
機械システム工学専攻

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

OB:寺原 彬弘(てらはら あきひろ)
東京農工大学 TUAT Formula
機械システム工学科 / 吸排気班

小型フォーミュラカーを、3DCADで設計し走行する

DMM.makeプロデューサー:
本日は、お忙しい中、お集り頂き大変ありがとうございます。
頂いたお写真を拝見しておりますが、こちらは、フォーミュラカー (Formula car)ですね?

曽山様:
そうですね。一人乗りの小型フォーミュラカーになります。600cc程のバイクのエンジンを使っています。

製造過程にかかるコストや、デザインがどれだけ工夫されているかという内容など、総合的なモノづくりの勝負になっている「学生フォーミュラ日本大会」に出場しております。

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

DMM.makeプロデューサー:
こちらは、やはり、ガソリンで走るフォーミュラカーなのでしょうか?

曽山様:
はい、そうです。大学様によっては、EV(Electric Vehicle・電気自動車)もあるのですが、当校はガソリン車、バイクのエンジンで走っています。

創立してから、17代目のマシーンになるのですが、まだまだ、課題が多く、詰め切れていない部分もあります。

あと、単純にガソリンエンジンが好きだ、という理由もあります。(笑)

DMM.makeプロデューサー:
そうなんですね。(笑)
それでは、早速インタビューを始めさせて頂きます。

— 最初に、東京農工大学 TUAT Formulaが、どのようなものづくりサークルなのか、お聞かせください。

曽山様:
SAE 公益社団法人自動車技術会の主催で、世界中の大学が対抗する、学生フォーミュラ大会が行われています。

当チームは、毎年9月頃に開催される、学生フォーミュラ日本大会に参加しています。

そして、その参加するマシーンを製作しております。

チームメンバーは、1年生が11名、2年生が15名の計26名で、設計・製作・試走・テストを行っています。

また、企業に就職したOBの意見や評価も貰っています。

— 最終製品であるフォーミュラカーのマシーンは、どのようなものなのでしょうか?

曽山様:
直近の大会に出場した車両になります。

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。
小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

DMM.makeプロデューサー:
実際に設計するのは、フレームや、カウルの部分なのでしょうか?

曽山様:
そうですね。エンジン自体は、Honda(本田技研工業株式会社)様から、CBR600RRのエンジンを提供して頂いております。

ステアリング系統や、シャシーは、自分達で設計・製作しています。

また、吸排気、チェーンなど、使いまわしが出来ない部分がありますので、こちらも、自分達で設計して作り直しています。

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

DMM.makeプロデューサー:
翌年の大会では、使えない部分もあるのでしょうか?

曽山様:
製作にコストがかかっているので、使いまわす部品は多いですね。

サスペンションは、引き続き使う形になっております。ラジエーターやホイールも、そうですね。

寺原様:
マシーンの設計に関して、レギュレーションで、「エンジンを使用しているマシーンは、毎年、必ず変えなければならない」というモノが1つだけあります。

それが、フレームなんですね。

EVは、2年に1回として、定められています。

当チームは、エンジンを利用しているので、毎年、必ずフレームだけは作らないといけないとなっています。

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

それから、必要に応じて、周りのコンポーネント、例えば、ウィングであるとか、タイヤも消耗品なので、場合によっては毎年変えています。
ダンパー、サスペンションのバネを使っている部分ですが、ここに関しては、毎年、同じモノを使っております。

DMM.makeプロデューサー:
一番、設計が大変そうな部分は、毎年、再設計しなければならないのですね。

3Dプリンターを活用する前は、どのような課題があったのでしょうか?

曽山様:
3Dプリンターを利用する以前の課題は、複雑形状の3D部品を製作する事でした。

従来の工法では、複雑な内部構造を持つ部品の製作は困難

流体を考慮する必要がある部品において、効率を考えると、構造は流線型になります。

特に、中空構造の内部に、さらに流路を設ける事は非常に困難でした。

これを回避する為に、分割構造をとると、部品点数を多くなってしまう上に、製作コストも膨らんでしまいます。

また、流体部品の場合、分割数が増えるほど接合箇所も多くなり、接合部のエア漏れなどの問題が発生しますので、一体成型できるほうが望ましかったのです。

このような点から、複雑な中空形状を、治具を用いずに一体成型する3Dプリンターは、本製品(エアインテーク)に製作にとって、最も効率の良い工法だと考えました。

— そのマシーンを作られている中で、3Dプリンターを、どこで、ご活用頂いているのでしょうか?

曽山様:
3Dプリンターを使用している部分は、エンジン回りの吸気部分にあたるエアファンネルや、エンジンの出力を制限するリストリクターですね。

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

リストリクターは、エンジンが吸う空気の量を絞る為の部品なのですが、20mmの穴を設けるように、レギュレーションで決まっています。

正確に20mmを出す為に、3Dプリンターで出力しています。

あとは、一番大きな部品で、サージタンクですね。これは空気が流れるモノで流線型になり、自作で製作するには、非常に効率が悪く難しいです。

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

パソコン上で、流体の解析をした上で、3Dプリンターで出力しています。

— 実際に出力して使ってみた結果は、如何だったでしょうか?

寺原様:
昨年のマシーンで、出力したサージタンクなのですが、CAD上での、かかる力の解析に、甘い部分がありました。

空気をエンジンが吸い込む時に発生する負圧と、大気圧に押されて、変形してしまう事が発生しました。

今年は、対策として、外側に、リブを設けて強度を持たせるという設計のフィードバックをしております。

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

DMM.makeプロデューサー:
確かに、外側で強化出来るのでれば、良いですね。

寺原様:
そうですね。内側にリブを設けた時もありました。それは、流体の流れる部分に、リブを設けてしまうので、吸入の効率が変わってしまう事もありました。

DMM.makeプロデューサー:
毎年、何かしらの課題が出てきて、後輩が、そのPDCAを回している感じなのですね(笑)

寺原様:
そうですね。(笑)

— 今のような課題を解決するにあたって、チーム内では、どのような検討をされたのでしょうか?

曽山様:
OBや、在籍メンバーからコメントを頂いておりますので、そちらの紹介をさせて頂きます。

武藤様:
吸気系の開発は最小限にし、前年度の部品をベースに細かい形状変更にとどめるか、全てを白紙から作り直すかの2択を検討していました。結果、3Dプリンターで形状、部品構成、作り方を全て変える事にしました。

浅岡様:
従来の製作方法では複雑な内部構造を持つ部品の製作は困難であり、簡素化したものであってもエア漏れが頻発し、それを解決するために多くの時間を費やしていました。このため、全く新しい製作手法として、3Dプリンターを用いた製作に注目しました。

武藤が、DMM.makeの3Dプリンター 出力サービスとの契約を結んだのですが、それまでは、自分達で、FRPなどでガラス繊維を積層して作るか、アルミを溶接して作るかという工法がメインでした。

羽田様:
サージタンクは、流体解析に基づいて形状を決定していますが、FRPで製作する場合は、製作できる精度に限界があり、解析どおりの形状のサージタンクを作れません。また、アルミ溶接は製作性を考えると自由度は低く、流体を扱う設計では、扱いづらいのです。

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

3Dプリンター自体が、当時はまだ珍しく、新しい事に挑戦したいという気持ちもありました。

DMM.makeプロデューサー:
そうなんですね。

— そのような状況の中で、なぜDMM.makeの3Dプリンター 出力サービスを選ばれたのでしょうか?

曽山様:
こちらも、OBからコメントを頂いておりますので、そちらの紹介をさせて頂きます。

PA12・PA12GB・ABSを部品単位で選定し、強度・性能効率を向上

浅岡様:
当時3Dプリンターの受注を行っている企業は、昨今ほど多くなかったこともあり、大々的に広告を出していたDMM.make様が目に留まり、調べたところ、価格や最大製作サイズなどの観点から検討した結果、決断をしました。また耐久性や加工精度、加工サイズなどを検討した結果、粉末焼結方式を採用する事にしたのも大きいです。

今井様:
私が学部1年の際、DMM.makeの3Dプリンター 出力サービスを利用した吸気系パーツを用いた大会では、周囲からは、「どこの3Dプリンターを使って製造したのか?」と、聞かれましたね。(笑)

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

そこから、学生フォーミュラの中でも、広まっていきました。(笑)

DMM.makeプロデューサー:
大型の粉末焼結方式のサービスを、比較的、安価でご提供しているのが当社の特徴でもあるので、この辺りが、ご評価頂けたのですね。

曽山様:
開発のベース、方針が固まったというのは、非常にありがたい事ですね。

島袋君、如何でしょうか?(笑)

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

島袋様:
はい、エアファンネルと、リストリクターを設計した島袋です。(笑)

昨年、エアファンネルと、リストリクターの設計で、切り欠き構造を作りました。

思った以上に、切り欠き構造の部分が薄くなり、欲しい形状は得られましたが、強度が足りなかった点が、反省点ですね。

DMM.makeプロデューサー:
こちらも、使って頂いたのは、MJF(Multi Jet Fusion/マルチジェットフュージョン)なのでしょうか?

島袋様:
そうですね。

今年は、エアファンネルに関しては、表面を滑らかにする為に、材質を変更しました。

表面を滑らかにした結果、効果が出るかは、今後検証していこうと考えています。

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

今後、ものづくり業界の技術に対して、どのような期待をされていますか?

曽山様:
やはり、低価格が第一に挙げられますね。

個人向けに3Dプリントサービスを提供されている企業は、それ程多くないと思います。

3Dプリンターは、開発のフロントローディング化が期待できる

当チームでの、小型の3Dプリンターを保有しているのですが、業務用プリンターが、普通に使えるようになれば、より開発が豊かになるのではと考えています。
こちらも、OBからコメントを頂いておりますので、そちらの紹介をさせて頂きます。

浅岡様:
3Dプリンターを用いた設計から試作までタイムラグが非常に短い事から、製品だけでなく治具等の製作性の向上が期待できます。また、様々な分野での開発のフロントローディング化に期待できます。さらに、ワンオフ品の製作ハードルも大きく下がる事が期待でき、3Dプリンター自体の技術向上にも期待ができます。

DMM.makeプロデューサー:
そうですね。今は、開発コスト的には、後送りになっていくモノが多いのですが、フロントローディングは、3Dプリンターの基本でもありますからね。

DMM.makeの3Dプリンター 出力サービスに、今後、期待していることはありますか?

寺原様:
私は、金属3Dプリンターを使ってみたいと思っています。

今、使っている3次元CAD設計ソフトウェアで、トポロジー解析という機能があります。

必要な強度と、拘束、入力される力を設定するだけで、重量や十分な強度に最適化された形状を、コンピューターが導き出してくれます。

ただし、その形状は、場合によっては、現在使える機械・装置・加工では、再現できない形状も出てきます。

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

そういったモノ、例えば、タイヤとボディを繋げるアップライトとか、さらに強度が必要な部分にも、応用できると思っております。

ですので、金属系の3Dプリンター出力サービスのコストが、より安価になればよいかなと思っています。

あとは、造形サイズがもう少し大きくなれば、使える部品の可能性としては、幅が広がると考えています。

DMM.makeプロデューサー:
ありがとうございます。

3Dプリンターも新しい技術が出てきていて、指向性エネルギー堆積方式(DED)という方式ですが、大型サイズを一回で造形できる装置も出始めております。

将来的には、DMM.makeの3Dプリンター 出力サービスでも導入したいと考えております。

コストの部分は、いかに早く、沢山作れるかに、関わってきます。

沢山、材料を使う事が出来れば、材料の仕入れ単価や製造単価も抑える事ができますので、装置の稼働率が上がっていけば、コストが下げていけるかなと思っています。

3Dプリンター業界も、大量に材料を使うようになってきておりますので、単価も下がっていくのではと考えています。

あと、2020年11月末頃には、今までの造形方式とは違う、バインダーを使ったFDM(熱溶解積層法)に近いタイプの金属造形サービスを開始する予定です。

今のチタンよりは、確実にお求めやすい価格かと思っております。(笑)

寺原様:
わかりました。ありがとうございます。(笑)

技術分野で活躍を目指す学生に、実践的な能力を養い、より高いレベルに意欲的に取り組める環境づくり

曽山様:
あと、当チームは、人手不足と資金不足が、課題ですので、スポンサー企業様を募集しております。(笑)

Twitter(https://twitter.com/tuatformula)などから、ご連絡頂ければ嬉しいです。

当チームのフォーミュラカーに、スポンサー企業様の企業ロゴを貼らせて頂きます。m(__)m

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

寺原様:
後は、個人的には、スポンサー企業様には、その年度のマシンを縮小した模型を、3Dプリンターで造形して、お送りできたらいいのかなと思っております。(笑)

スポンサー企業様のお手元に残るように、出来ればと考えております。

DMM.makeプロデューサー:
ちなみに、このフォーミュラカーは、完成品に至るまでに、どの程度、費用がかかっているものなのでしょうか?

寺原様:
200万円は、届かない程度ですね。

前年度に作成した部品や、既製品も組み合わせておりますので、大体、そのぐらいです。

DMM.makeプロデューサー:
今回、掲載させて頂いております部品は、いつの大会の部品なのでしょうか?

寺原様:
最初に造形して頂いた部品は、2015年の大会ですね。

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。

DMM.makeプロデューサー:
DMM.makeの3Dプリンター 出力サービスをご利用頂いて、一番、成績が良かった大会はいつでしょう?

今井様:
2017年の第15回大会ですね。
コスト賞(コスト・製造審査の得点が最も高いチーム)の審査が3位でした。総合成績ですと、さらに翌年の2018年の第16回大会が、良かったですね。

寺原様:
全ての審査に出場して、かつ完走もしたので、日本自動車工業会会長賞(全ての静的・動的審査に参加し、完遂・完走しているチーム)を受賞していますね。

DMM.makeプロデューサー:
エアファンネルは、MJFから、今年はABSに変更されてますよね?
これは、何か理由があったのでしょうか?

島袋様:
表面を滑らかにしたほうが、より空気を吸う効率が良くなると考えました。

最初は、リストリクターもアルミで作って、効率を上げる事を考えていました。ただ、アルミで作るとなると、3Dプリンターではコストが上がってしまうので、手作りの削り出しで作る事になります。

ですので、まずは、表面を滑らかにする事から始めようと考え、MJFでは、硬すぎるのではと思い、試しにエアファンネルの素材を、加工しやすいABSに変更しました。

DMM.makeプロデューサー:
そうなんですね。

車両コンセプト・設計・コスト審査など、ものづくりの総合力を競う

実際のマシンは、時速何キロぐらいで走るものなのでしょうか?

寺原様:
大会で走るコースは、安全性を考慮されていて、コーナーが多く、あまり速度が出ないコースになっていますが、直線を走らせ、加速の力を競う競技(アクセラレーション)があり、時速80kmぐらいですね。

DMM.makeプロデューサー:
結構、早いですね。(笑)

車体が低く、路面に近いですよね。スピード感が、普通に乗用車を運転している感覚とは次元が違いますよね。(笑)

曽山様:
寺原は、昨年、エースドライバーとしてチーム最速タイムを叩き出しました。(笑)

DMM.makeプロデューサー:
フォーミュラ系の体感速度と、乗用車の体感速度と違うと思うのですが、乗用車の体感速度に置き換えた場合、どのぐらいの速度になるのでしょうか?

寺原様:
そうですね。乗用車ですと、120km/h程度になるのかなと思います。
目線が低いので、地面との距離が近くて、景色が早く流れていきます。(笑)

DMM.makeプロデューサー:
マシンの性能を確かめたり、練習などは、どうされているでしょうか?

曽山様:
許可が下りれば、校内で走れるゾーンはあります。

しかし、短い直線で、限られた環境ですので、サーキットや広い駐車場をお借りして、1日、テストしていますね。

DMM.makeプロデューサー:
皆さん、ドライバーとしても乗られているのですか?

曽山様:
そうですね。お尻が地面と擦れそうな感覚で。(笑)
非常に楽しいです。(笑)

今井様:
SAE 公益社団法人自動車技術会のレギュレーションで、マニュアルの普通自動車免許があれば、乗れます。

DMM.makeプロデューサー:
レースでは、ピットインを行うような種目もあるのでしょうか?

曽山様:
エンデュランスという種目があり、1周800mを、20周します。
10周で必ずドライバーを変えなければいけないので、ピットインします。

寺原様:
ただ、F1のように、タイヤを変えるような事はしません。ドライバーだけの変更ですね。
場合によっては、走っている途中で、部品が地面と擦れて、修理を要するだろうと大会側に判断された場合は、戻ってこいという指示もあります。

DMM.makeプロデューサー:
そこで、ピットインして治らない場合は、リタイヤになるのでしょうか?

寺原様:
リタイヤになりますね。

去年の大会ですと、多かったのは、エンジンのオーバーヒートで止まっちゃうというのが、上位校でも、目立っていましたね。

例えば、エンジンを冷やす冷却水を回すポンプが止まって、冷却水が止まり、エンジンの中の水が沸騰して、エンジンの焼き付きが起こって、動かなくなっていました。

あとは、冷却水が漏れたりしていましたね。

DMM.makeプロデューサー:
大会の開催時期が、まだ、気温が高い時期ですし、年々、気温が上がってきているので、外気の温度も関係しているのでしょうか?

寺原様:
そうですね。

ラジエーターという部品は、走っている時に流れる風、走行風を受け取って、熱を放出します。

冷却水と外気の温度差が重要で、温度差が縮まってしまうと、冷えにくいですね。

DMM.makeプロデューサー:
そうなんですね。
本日は、色々と貴重なお話、ありがとうございました。

曽山様、島袋様、今井様、寺原様:
こちらこそ、ありがとうございました!

小型フォーミュラカーの複雑な内部構造を持つ部品に3Dプリンターを利用し最終製品へ。


今回のケースでは、小型フォーミュラカーに搭載される吸気部品の抜本的な軽量化と性能向上、それを実現する製造技術、信頼性、これら複数の課題を解決し、複雑な中空形状を、治具を用いずに一体成型し、最終製品として利用された事例をご紹介頂きました。
マスプロダクションサービスでは試作品造形・検証から最終製品の量産、そしてプリンターの導入まで企業様をサポートするサービスをご提案させていただきます。
3Dプリンターの導入についてなどご質問・ご要望がございましたらお気軽にお問い合わせください。