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フォーミュラSAE車両のハンドル設計と製造

課題:設計から製造へ、ハンドルの新規開発モデルの機能性をいかに確保するか?

一般的に、ハンドルは、電子制御のシフト切り替えやアンチロールのコントロール、車両の牽引やローンチコントロールモードの選択、ドライバーへの重要な情報の提示といった役割を果たす、レーシングカーの最も重要な要素の1つと見なされています。機能しないハンドルをただ取り付けても、車両は性能を発揮できません。学生たちは、最新の組み込み電子機器、カーボンファイバーの加工、SLA 3Dプリントといった様々な工学分野を結集する必要のある、最適なハンドルの新たな設計を任されました。

 

 

 

複数のシステムを統合する必要のあるハンドル設計で、学生たちは、どうすれば設計サイクルを最適化し、プロジェクト期間内に信頼できるハンドルを完成させることができるでしょうか。

ハンドル設計は、複数のサブチームの管理を必要とするため、フォーミュラSAEチームにとって最も複雑なプロジェクトの1つと見なされています。サブチームの管理には外的要因が大きく関わり、設計サイクルの長期化につながる可能性があります。事実、ハンドル構造の管理を通常受け持つのはシャーシチームで、加工は混成チームが指揮し、ドライバーは人間工学的快適性を追求し、電気チームは内部の電子機器すべてを受け持ちます。したがって、1つのサブチームがプロジェクト全体の管理に専念し、幹部の意見を求めつつ、ハンドル完成の全面的責任を負わない限り、これらすべてのシステムを統合することの難しさがサブチーム間の軋轢を生み、ひいてはハンドルの不具合にまでつながる可能性があります。

開発後数年間使用されることになるハンドルを、いかに新メンバーも理解・改良が容易な設計にするか。

ハンドルの設計・製造に必要なツールは、広範囲に及ぶトレーニングを必要としない、理解しやすく、使いやすいものである必要があります。プラグアンドプレイツールとユーザーフレンドリーなインターフェースが備えられていれば、新たなメンバーも容易に理解でき、設計に生かせる改良点も特定しやすくなります。

今後様々な学生ドライバーが運転することになるフォーミュラSAE車両のハンドルを、どのようにドライバーごとのカスタマイズを可能にするか。

ドライバーは、人間工学的快適性追求のため、粘土で自身のグリップの型を取りました。次に、作成したカスタムグリップをスキャンし、処理して、柔軟かつ堅牢な熱可塑性ポリウレタン樹脂(TPU)を材料に3Dプリント加工しました。設計、製造の各チームは、これらの作業に、高速かつ高解像度、簡便性に優れたポータブル3Dスキャナーを使用しました。

 

3Dスキャン実行中にPCに表示されるライブメッシュ
ハンドル - 3Dスキャンの前と後

 

ソリューション:高速かつ高解像度、簡便性、携帯性に優れた3Dスキャン技術

  • 高速性は、最適化も処理も終わった状態で、学生が使用するCADソフトウェアまたは3Dプリントソフトウェアにシームレスに統合できるリアルタイムメッシュを生成できることから実現しています。
  • 携帯性を可能にしているのは、測定実行中に対象物と装置のいずれをも自由に動かすことができるダイナミックリファレンシングです。これにより、設計・イノベーションラボでも、教室や自動車整備工場でも3Dスキャンを実行でき、性能にも何ら影響はありません。
  • 簡便性はプラグアンドプレイデバイスとユーザーフレンドリーなインターフェースによって実現し、フォーミュラSAEチームは3Dスキャンを容易に習得して、使いこなせるようになっています。
  • 高解像度スキャナーは、形状用高精度カメラとテクスチャ用カラーカメラで構成されています。これが、設計チームおよび製造チームに、カスタムグリップの細部までをも視覚化して描き出せるだけのスキャン品質をもたらしています。

高速かつ高解像度、簡便性、携帯性に優れたスキャンソリューションを代表するのが、HandySCAN 3DGo!SCAN 3Dといったメトロロジー・グレード(寸法検査レベル)の3Dスキャナーと、Creaform ACADEMIAなどの教育ソリューションスイートです。

特長:高速かつ高解像度、優れた簡便性と携帯性によって、フォーミュラSAEチームは新たなハンドルを予定通りレースに間に合わせることができた

ハンドルを予定通りレースに間に合わせることができただけでなく、チームは、設計、製造の各段階の時間短縮も達成しました。3Dスキャン技術と積層造形が以下の特長を生み出す推進力となったのです。いずれの特長も、フォーミュラSAEチームが掲げた目標の達成に欠くことのできない要素です。

  • 何年もの使用に耐える堅牢性: 学生たちが行った予備シミュレーションとねじり試験の結果、カーボンファイバー部品、3Dプリント部品のいずれも、レース中の最大要求負荷に耐え、なおかつ、今後数年の使用にも耐え得るという結論を導き出すことができました。
  • 組み付けが容易: 学生たちは、3Dスキャンを活用したことで、既存のハンドル(と車両環境)から寸法情報を抽出して、インスタントメッシュで表示することができました。こうして、アセンブリにぴったりの、組み付け容易な新たな部品を作り上げたのです。
  • ドライバーごとにカスタマイズ可能: ドライバーたちにそれぞれの手の型を粘土で取ってもらい、それをスキャンし、3Dプリント加工して簡単に組み付けられるため、ハンドルをレースでハンドルを握るドライバーの手の平に合わせることができます。
  • 新メンバーであっても理解しやすく、改良しやすい: 簡便性に優れた3Dスキャナーを使用したことで、どの学生でも、経験や習熟度に関係なく、何の準備も行う必要なく対象物をスキャンできました。

 

Wisconsin RacingとMakerspace

Wisconsin Racingは、フォーミュラSAEの世界140チームと競い合う、大学のエンジニアリング組織です。Wisconsin Racingは、少なくともここ30年以上、フォーミュラSAEで常に上位に入り、傑出したエンジニアたちを数多く輩出してきました。

電気サブチームリーダー兼ハンドル設計者のジョン・ライアン(John Ryan)氏は、Creaformの3Dスキャンソリューションがいかに役立ったかについて、次のように述べています。「HandySCAN 3Dのような素晴らしいスキャンツールを活用できたことで、ドライバーの人間工学的快適性を追求した、正確かつカスタムなスキャンを作成することができました。ドライバーを満足させることが、車両設計の重要な要素であること、そして、ドライバーが快適にハンドルを握れることがラップタイムの短縮につながることを、私は経験から学び取りました」

ウィスコンシン大学マディソン校工学部の設計・イノベーションラボであるMakerspaceは、Wisconsin Racingチームをはじめ、様々なプロジェクトに参加する工学部の学生を温かく受け入れています。

3Dスキャナーを扱うのはほとんどが学生であるため、Makerspace主任のレノン・ロジャース(Lennon Rodgers)氏は、選択したテクノロジーが「学生にとって真に使いやすく携帯性に優れているか」が最も重要な購入基準であると述べています。

ロジャース氏によると、Makerspaceにはその「高速かつ高解像度、携帯性と簡便性に優れたソフトウェアと業界標準のハードウェア」という観点で一際優れたHandySCAN 3Dが備えられています。事実、チームが求める携帯性と解像度を提供できたのは、Creaform製品だけでした。

類似の用途

3Dスキャナーを活用した産業装置の部品と付属品の開発

農業、建設業、鉱業用の装置の部品と付属品を開発する場合、設計者は車両や装置の寸法を測る必要があります。 ぴったりと合い、高性能を確保するために、寸法には正確性が要求されるだけでなく、ありとあらゆる部分の寸法が必要になります。 実際、設計者はすべての組立フィーチャー、アセンブリ内に見つかる元の部品の寸法、および部品のアセンブリと新しい設計の間で発生し得る問題に関心を持ちます。 3Dスキャンではすべての部品とその相対位置の精密な3D測定が実行され、設計者が正しい組立フィーチャーと寸法で新しい設計を行うのを大いに支援します。 複数のモデルにフィットする柔軟性のある部品や付属品を開発する場合には、さまざまな装置の多数のスキャンを設計に統合することもできます。

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