お客様が、刻印され-溶接されたスチール製バッテリー-パック ブラケットを持って来店しました。 5 つの別々の部品でできており、溶接する必要があります。パックはすでに重く、航続距離は短くなり、1キログラム増えるごとにエネルギーが消費されます。疑問は単純です。強度を維持しながら軽量化を同時に行うことはできるでしょうか?答えは「はい」です。トポロジの最適化を組み合わせることで、アルミニウム合金 3D プリント、エンジニアはブラケットを再設計して、材料が必要な場所にのみ留まり、複数の部品が 1 つになり、最終コンポーネントが大幅に軽量になるようにできます。
EV バッテリー パックではなぜ重量がそれほど重要なのか
バッテリーパックは通常、電気自動車の中で最も重いコンポーネントであり、車両総重量の 20 ～ 25 % を占めることがよくあります。余分な質量は転がり抵抗を増加させ、加速時により多くのエネルギーを必要とし、回生ブレーキの有効性を低下させます。業界の大まかな経験則として、重量が 100 kg 節約されるごとに、現実世界の航続距離は約 15 ～ 17 km 増加します。これは、車両重量が 10 % 削減された場合、航続距離が約 5 ～ 6 % 向上することになります。-
ブラケットとサポート構造は軽量化の優れたターゲットです。それらの多くは典型的なパック内にあり、構造的に独立しており、メインエンクロージャの完全な衝突荷重を支える必要はありません。したがって、質量を減らすことで、主要な安全構造を損なうことなく、目に見える利益がもたらされます。
アルミニウム合金 3D プリントとは簡単に言うと何ですか?
簡単に言えば、アルミニウム合金 3D プリントでは、アルミニウム粉末の薄い層を広げ、レーザーで一度に 1 層ずつ溶かして、完全な形状が完成するまで部品を構築します。このプロセスはレーザー粉末床融合としても知られています。{2}設計に必要な場所にのみ材料が追加されるため、複雑な内部格子、有機的な形状、統合された形状が可能になります。
AlSi10Mg が最も一般的な選択である理由
AlSi10Mg 3D プリント部品は自動車用途の大半を占めています。この合金は、強度、印刷適性のような鋳造性、および比較的低い密度 (約 2.67 g/cm3) のバランスが優れています。適切な熱処理の後、300 ～ 350 MPa の範囲の引張強度と使用可能な延性が得られ、構造ブラケットに適しています。
アルミニウム vs スチール vs 鋳造アルミニウム
密度: AlSi10Mg ≈ 2.67 g/cm3 |スチール ≈ 7.8 g/cm3|AlSi10Mgと同様の鋳造アルミニウム
比強度: 3D- プリントされた AlSi10Mg は、重量ベースで多くの鋼と競合します。-対-
設計の自由度: 鋳造やスタンピングよりもはるかに高いため、従来の方法では生成できないトポロジーを最適化した形状を実現できます。{0}
3D プリントでバッテリー ブラケットを軽量化する 5 つの方法
トポロジーの最適化
ソフトウェアは応力の低い領域から材料を除去し、荷重が伝わる場所にのみ材料を残します。-公表されている事例では、これだけで応力を制限内に保ちながらブラケットの質量を 30 ～ 50 % 削減しました。
格子構造と中空構造
内部格子または中空セクションが中実セクションに置き換わります。この部品は必要な部分の剛性を維持しながら、不必要な質量を削減します。これは従来のスタンピングでは不可能です。
部品の統合
かつては溶接やボルト締めが必要だった 5 つの打ち抜き部品を 1 つの印刷部品にすることができます。接合部の数が少ないということは、ファスナー、溶接ビード、および重なり合うフランジからの質量が少ないことを意味します。
剛性を失わずに壁を薄くする
材料の配分が最適化されているため、重要なセクションの堅牢性を維持しながら、低負荷領域の壁厚を減らすことができます。{0}全体的な剛性は維持されるか、さらには向上します。
留め具の数が減り、組み立てが少なくなる
ボルト、ナット、溶接部をなくすことで、重量が軽減され、取り付けに必要な二次作業も軽減されます。最終的な組み立てはより軽くて簡単です。
これら 5 つのレバーが連動して機能します。軽量 EV バッテリー パック ブラケットに適用すると、複合効果により、元の打ち抜きまたは溶接された設計と比較して、定期的に 20 ～ 40 % の重量削減が実現します。
研究結果: 軽量化に関する実際の数値
出版された研究や業界の事例では、常に 2 桁の節約効果が示されています。-ピア-レビューされたトポロジー-で最適化されたバッテリー ブラケットの 1 つは、強度と安全率の目標を満たしながら 49 % の質量削減を達成しました。-大判金属印刷によって製造されたもう 1 つの自動車用アルミニウム シャーシ部品は、ねじり剛性が大幅に向上するとともに、30% 以上の軽量化を実現しました。{7} AlSi10Mg バッテリーサポートに関する中国の業界の例では、重量が 25% 削減され、それに対応して航続距離が数キロメートル向上したと報告されています。
3D プリントされたアルミニウムは十分な強度がありますか?
はい-設計が適切に検証された場合。 -構築された AlSi10Mg は、400 ～ 460 MPa の引張強さに達します。熱処理された材料は、強度と引き換えに延性を向上させ、残留応力を軽減します。-疲労、振動、衝突の要件は、他の構造コンポーネントと同様に、シミュレーションと物理テストを通じて検証する必要があります。それらのテストに合格すると、アルミニウム合金 3D プリント自動車の耐久性の期待を満たします。
ケーススタディ: Sunhingstones がブラケットの重量をどのように削減したか
ヨーロッパの EV サプライヤーは、バッテリー パック サポート ブラケットのファミリーを必要としていました。{0}元の設計では、サブアセンブリに溶接された打ち抜き鋼部品が使用されていました。-重量が重く、組み立てに時間がかかり、設計変更には新しい工具が必要でした。
Sunhingstones は、トポロジー最適化を使用してブラケットを再設計し、AlSi10Mg でプリントしました。複数の部品が単一のコンポーネントに統合され、重要でないゾーンに内部格子が導入され、全体の形状が印刷可能になるように改良されました。-
最初の本番環境のバッチの結果:{0}
オリジナルのスチール製アセンブリと比較して重量が約 32 % 削減されました。
カットされる個別パーツの数が 5 個から 1 個に
組み立て時間を半分以下に短縮
重要な界面の熱処理と機械加工後、機械的性能 (静的強度と振動) が顧客の仕様を満たしました
承認された設計から最初の機能サンプルまでのリードタイムは 3 週間未満でした。同じプロセスを、新しいツールを使用せずに少量の連続生産に拡張しました。-
3D プリントが理にかなっている場合 (そして理に適っていない場合)
アルミニウム合金 3D プリント次のような場合に有力な選択肢となります。
生産量は少量から中程度 (年間数万から数千部品)
形状が複雑であるか、頻繁に再設計されている
部品の統合またはトポロジーの最適化により、重量またはアセンブリの明確な利点が得られます
従来の方法の工具コストは部品数量に比べて高い
通常、次の場合は最も安いルートではありません。
ボリュームは非常に多く、ジオメトリはシンプルです
既存のスタンピングまたは鋳造工具はすでに償却されています
この部品は複雑な内部構造の恩恵を受けられません
経験豊富な金属3Dプリントメーカーあなたがどのような状況にあるかを正直に話します。
アルミニウム 3D プリント メーカーの選び方
次の機能を探してください。
AlSi10Mg および自動車用-グレードの粉末に関する実証済みの経験
社内での密度、引張、および（できれば）CT 検査
熱処理、応力除去、二次加工能力
積層造形（DFM）フィードバックとトポロジ最適化サポートのための設計{{0}{1}{2}を提供する機能-
プロトタイプから少量生産までの明確なパス-
軽量 EV バッテリー パック ブラケットやその他の構造用アルミニウム コンポーネントをすでに製造しているサプライヤーであれば、開発サイクルが短縮され、技術的リスクが軽減されます。
よくある質問
3D プリントによりバッテリー ブラケットの重量はどれくらい削減できますか?
トポロジーの最適化と部品の統合を適用すると、打ち抜き鋼または溶接鋼の設計と比較して、一般的に 20 % ～ 40 % の節約になります。極端なケースは 50% 近くに達しています。
3D プリントされたアルミニウムは機械加工されたアルミニウムと同じくらい強度がありますか?
-構築および熱処理された状態-の AlSi10Mg は、多くの従来のアルミニウム合金に匹敵する強度レベルに達します。重要なのは、特定の荷重ケースに対する適切なプロセス制御、熱処理、検証です。
印刷されたブラケットのサンプルを入手するのにどれくらい時間がかかりますか?
承認された CAD データからの機能サンプルは、サイズ、数量、後処理要件に応じて、通常 1～3 週間で入手可能です。-
テスト用に少量のバッチを作成できますか?
はい。 -数十または数百の部品からなる少量生産は、金属積層造形の標準的な使用例です。
どのファイルを引用する必要がありますか?
通常、最初の見積もりと DFM レビューには、3D CAD モデル（STEP を推奨）と荷重ケース、限界寸法、表面仕上げ要件、数量情報があれば十分です。-
バッテリーパックを軽量化する準備はできていますか?
現在のブラケットのデザインまたは 3D モデルをお送りください。当社は軽量化の可能性を評価し、トポロジーや統合の機会を提案し、現実的な生産計画とともに明確な見積もりを提供します。-アルミニウム合金 3D プリントは、性能を犠牲にすることなく EV バッテリーパック構造の質量を削減するために現在利用できる最も実用的な方法の 1 つです。-