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Dec 01, 2023

テクノロジー四半期

Nuovi materiali tecnici trimestrali per i materiali di produzione

テクノロジー四半期

製造用の新素材

素材の違い

材料科学は自動車から電球に至るまであらゆるものの製造方法を急速に変えつつある、とポール・マーキリー氏は言う

「私は数字にはまったく依存しません」とトーマス・エジソンは言いました。 「私は実験を試みて、自分では説明できない方法で結果を何とか推論します。」 そして、ココナッツの繊維から釣り糸、さらには同僚のひげの毛に至るまで、1,600 種類の異なる素材をテストすることで、エジソンは最終的に、炭化した形で最初の適切なフィラメントとして使用できる特定の種類の竹を発見しました。白熱電球。 彼は 1879 年の大晦日にニュージャージー州メンローパークにある自分の研究室でそれを実証しました。

このすべての骨の折れる試行錯誤の詳細は、エジソンのノートの 40,000 ページ以上を埋め尽くしましたが、彼の解決策はすぐに置き換えられました。 20 世紀の初めまでに、フィラメントはより明るく燃焼し、より長く持続するタングステンから作られるようになりました。 100 年以上にわたり、世界はタングステン フィラメントを備えた電球で照らされ、電球はあらゆる種類のイノベーションを表す漫画家の固定の略語になりました。

現在、電球は、フィラメントよりも電気を光に変える効率が高く、寿命がはるかに長い発光ダイオード (LED) に置き換えられています。 LED は、1960 年代に電気機器の表示灯として初めて登場しました。 現在では、建物、道路、車に強力な照明を提供しています。 世界の貧しい地域では、昔ながらの電球を見たことがない人々に光をもたらしています。

エジソンの電球と LED はどちらも、物質を新しく有用な形に変えるプロセスである材料科学の発明です。 しかし、その間の数年間で、材料と科学の両方がはるかに複雑になりました。 LED の原料となるゲルマニウムやシリコンなどの半導体材料には、他の物質の原子が慎重に加えられることが多く、メンローパークとは異なるアプローチが必要です。 それらが生成する光の種類は、微細な構造と余分な原子の詳細によって微調整されます。 ペース・エジソン、この種のことは、量子論は言うまでもなく、多くの数字に依存します。

材料の特性を最小スケールで理解する能力により、人々は古い作業をより良く行えるようになるだけではありません。 それは彼らに新しいことをさせます。 エジソンの時代、光を使ってメッセージを送信するのは、船から船へとモールス信号でメッセージを点滅させるアルディスランプの時代でした。 レーザー ダイオード (LED よりもはるかに純粋な光を生成するように設計された半導体デバイス) は、制御された方法で 1 秒間に数十億回点滅することがあります。 DVD とスピーカー、バーコードとスーパーマーケットのチェックアウト、または大西洋横断光ファイバー ケーブルの両端など、情報を A から B に伝達する必要がある驚くほど多くのアプリケーションで、レーザー ダイオードがこの役割を果たしています。仕事。 仮想世界は抽象的に見えますが、非常に現実的でよく理解された素材に基づいて構築されています。

一部の科学者はこれを材料の「黄金時代」と表現しています。 珍しい合金や超強力複合材料などの新しい高性能物質が出現しています。 「スマート」な材料は、その形状を記憶し、自ら修復したり、コンポーネントに組み立てたりすることができます。 光や音に対する反応の仕方を変える小さな構造を使用すると、マテリアルを非常に異なる特性を持つ「メタマテリアル」に変えることができます。 ナノテクノロジーの支持者は、原子ごとに物を構築することについて話します。 その結果、新しい物質と、それらを使用して古いものをより良くするための新しいアイデア、そしてこれまでに作られたことのない新しいものが洪水のように生まれます。

大学の材料学部は繁栄しており、活気に満ちた起業家文化を生み出し、数々のイノベーションを生み出しています（下の囲みを参照）。 これらの発見の多くは、実験室での実証から商業提案までスケールアップすることはできません。 しかし、電球のように世界を変えるものもあります。

より速く、より高く、より強く

1世紀にわたる物理学と化学によってもたらされた物質世界の理解は、加速し続ける進歩の多くを占めています。 しかし、これは単純な理論の勝利ではありません。 楽器も重要です。 電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、X 線シンクロトロンなどの機械を使用すると、科学者はこれまでよりもはるかに詳細に材料を測定および調査できるようになります。

マンチェスター大学先端材料国際センターのプロジェクトは、そのような進歩が実際に行われていることを示しています。 その研究室の 1 つでは、科学者たちは二次イオン質量分析法 (SIMS) を使用して、水素原子 (存在する中で最も小さな原子) が鋼などの材料内にどのように拡散し、小さな亀裂を引き起こす可能性があるかを研究しています。 SIMS は、サンプルに荷電粒子のビームを照射することで機能し、これにより表面から二次粒子が放出されます。 これらは一連の検出器によって測定され、50 ナノメートル (10 億分の 1 メートル) までの解像度の画像が作成されます。 これにより、金属の結晶構造とその欠陥が明らかになるだけでなく、水素の存在などの化学的不純物も特定されます。 同大学のポール・オブライエン教授は、「以前は数カ月かかっていたことが、今では午後でできるようになった」と話す。 このセンターのスポンサーである石油会社BPが、その結果、海洋および加工作業に使用するより良い鋼材を入手できるようになることが期待されている。

研究者たちは、より優れた機器を手に入れるだけでなく、利用可能なコンピューティング能力の大幅な増加からも恩恵を受けています。 これにより、仮想マテリアルから何かを作成するかどうかを決定する前に、仮想マテリアルの特性を詳細に調べることができます。

「私たちは目が見えなかった時代から抜け出しつつあります」とカリフォルニア大学バークレー校の電池専門家ガーブランド・シーダー氏は言う。 シーダー氏は、ローレンス・バークレー国立研究所のクリスティン・パーソン氏とともに、スーパーコンピューターのクラスターを使用して既知および予測されているすべての化合物の特性を編集するオープンアクセスベンチャーであるマテリアルズプロジェクトを設立しました。 そのアイデアは、特定の仕事に望ましい特性を持つ物質を見つけようとする代わりに、研究者がすぐに必要な特性を定義できるようになり、コンピュータが適切な候補のリストを提供するようになるというものです。

彼らの出発点は、すべての物質は原子でできているということです。 各原子がどのように動作するかは、それがどの化学元素に属しているかによって異なります。 元素はすべて、原子の外層を構成する電子雲の構造に依存する明確な化学的特性を持っています。 原子は、その電子の 1 つを隣接する原子の電子と対にして「化学結合」を形成することがあります。 これらは、分子や半導体などの結晶材料に構造を与える一種の接続です。 他の種類の原子は、電子をより広範囲に共有することを好みます。 金属では、原子は多くの電子を共有します。 結合は存在せず（これにより金属は展性を持ちます）、電流は自由に流れることができます。

化学結合の形成に関して言えば、元素の 1 つである炭素は別格です。 それから多かれ少なかれ無限の数の異なる分子を作ることができます。 化学者はこれらの炭素ベースの分子を有機と呼び、無機化学という主題の全分野をこれらを無視することに費やしてきました。 Ceder 氏のマテリアル プロジェクトは、その無機的な領域に位置します。 これまでに約 60,000 のマテリアルがシミュレーションされており、5 年後には 100,000 に達するはずです。 これは、プロジェクトに取り組んでいる人々が「材料ゲノム」と呼ぶもの、つまり誰もが思いつくすべての化合物の基本的な特性（導電性、硬度、弾性、他の化学物質を吸収する能力など）のリストを提供することになる。 「10 年後には、材料設計を行う人はこれらすべての数値と、材料がどのように相互作用するかについての情報を入手できるようになるでしょう」と Ceder 氏は言います。 「以前は、こうしたものは実際には存在しませんでした。すべて試行錯誤でした。」

ゼネラル・エレクトリック（GE）（エジソンの試行錯誤ベースの事業が 1892 年に統合された会社）の研究所を散策すると、同様のアプローチがすでに実践されていることがわかります。 GE Researchの責任者であるMichael Idelchik氏は、ボディスキャナーでの使用のために開発された新しい人工ガーネットについて指摘しています。 スキャナーは画像を作成するために X 線を可視光に変換する必要があり、スキャナーの性能が向上すればするほど、患者が曝露される X 線の線量は低くなります。 同社は、X 線にさらされると発光する 150,000 種類の微妙に異なる結晶を調べた後、特定の種類のガーネットに落ち着きました。これにより、スキャンが大幅に高速化され、患者にとってはより安全で快適になり、患者にとってはより費用対効果が高くなります。病院。

単一の材料が提供する可能性に加えて、それらを組み合わせることでさらに豊かな世界が生まれる可能性があります。 イデルチク氏の帝国研究の他の場所では、ジェットエンジンのニッケル合金部品をセラミックマトリックス複合材料（CMC）で作られた部品に置き換えることに焦点を当てています。 化学結合が強いため、セラミックは金属よりも高い熱に耐えることができます。 同時に、関連する理由により、それらはより脆くなります。 金属とセラミックを組み合わせた CMC (GE は炭化ケイ素を使用しています) は、両方の長所を生かします。 同社は、冷却の必要性が少なくなるCMCが、二酸化炭素の排出量が少なく、より効率的なエンジンになることを期待している。

コンピューティング能力は、このようなハイブリッドの作成に役立ちます。 また、デザイナーがそのような新しい素材をどのように最適に使用できるかを理解するのにも役立ちます。 現在、多くのプロトタイプは、物理的な製品が製造されるずっと前に、ミシガン州の Altair、カリフォルニア州の Autodesk (このレポートの後半の「脳スキャン」インタビューを参照)、Dassault Systèmes などの企業のソフトウェアを使用して仮想形式で製造されています。 、フランスのグループ。 エンジニアは化学プラントをモデル化し、建築家は建物のデジタル表現を通して顧客を「ウォーク」することができ、車をさまざまな道路で仮想的に試運転したり、街路でライバルの車と並べて駐車したりできます。

これらすべてにより、製品開発が大幅にスピードアップされます。 このソフトウェアは、使用される材料の特性を考慮に入れるのに十分強力で、荷重、応力、流体力学、空気力学、熱状態などを計算できます。

オートデスクの最高技術責任者であるジェフ・コワルスキー氏は、メーカーはこれがもたらす可能性に気づき始めたばかりであると述べています。 多くの企業は、以前と同じツールとプロセスで部品を製造することを期待して、単に新しい材料を使用するように部品を適応させています。 それは「標準以下の結果」をもたらす、と彼は考えている。 新しい素材を使用して生産プロセスを再定義し、まったく新しいタイプの製品が可能になるとき、物事が真に革新的になり、漫画家が人々の頭上に電球を描くことができるようになります。

まさにそのこと

ビジネスは「ジェネレーティブ デザイン」の世界に向かっている、とコワルスキー氏は言います。エンジニアは達成したいことを設定し、コンピュータはその目的に適合するデザインを提供します。 材料の知識が増えるにつれて、コンピュータは設計者が指定した特性を満たす材料も見つけるようになります。 微細構造をいじるのが容易になっているため、材料の特性はその縦横全体で変化することさえあります。 一部の企業は、このようなサヴィル・ロウに合わせた素材の提供に向けてすでに順調に進んでいます。

分子レベルでのエンジニアリングにより、古い材料を改善するだけでなく、新しい材料を作成します

ナノ粒子は新しい人為的な発明とみなされがちですが、自然界には古くから存在しており、海の塩や火山の煙がナノ粒子の形で大気中に存在しています。 材料科学者が興味を持っているのは、現代の加工技術を使えば、多くのバルク材料を 100 ナノメートル (10 億分の 1 メートル) 以下のナノ粒子に変えることができるということです。 そうする理由は、量子力学やその他の効果により、ナノ粒子が新しい特性や大幅に強化された特性を獲得できるためです。 これには、粒子のサイズに関連する独特の物理的、化学的、機械的、光学的特性が含まれます。 エンジニアは、ナノ粒子を材料に組み込むことで、これらの特性の一部を捉えることができます。

物理学者のクリスティーナ・ロマズニー氏は、ナノ粒子を使用して、全く新しい種類の材料であるナノラミネートを製造しています。 彼女は、一種の電解析出を開発するシアトルの会社 Modumetal の共同創設者です。 これは電気めっきに似た働きをします。通常は塩の形をした金属が液体中に懸濁され、電流が流れるとコンポーネント上に析出します。

Modumetal は、液体内のさまざまな金属を使用して、これを非常に正確に行う方法を考案しました。 電場を注意深く操作することで、表面上にさまざまな金属のベニヤを構築し、それらの層がどのように相互作用するかを制御します。 「事実上、私たちは材料を成長させ、その組成と微細構造を制御しているのです」とロマズニー女史は言う。 同社は、これを工業規模で安価に、鉄鋼、亜鉛、アルミニウムなどの従来の材料を使用して実現できると考えている。

その最初の製品であるさまざまなポンプ、バルブ、ファスナーは、従来の処理よりも耐久性があり、最大 8 倍長持ちする耐食層で処理されています。 それらの一部はすでに石油およびガス会社によって使用されています。 Modumetal は現在生産を拡大しており、やがては構造物をコーティングするだけでなく、実際に成長させることを計画しています。

材料の微細構造を設計するためのより重要な用途の 1 つは、バッテリーです。 これらは、鉛酸やニッケルカドミウムなどのさまざまな材料から作られています。 これらの成分の中には毒性が強いだけでなく、かさばって重いものもあるため、1980 年代の携帯電話はレンガのようなものでした。 充電式リチウムイオン電池の採用により薄型化が実現しました。

科学者たちは、軽くて導電性が高いリチウムを電池材料として使用することに何十年も研究してきました。 難しいのは、研究室から大規模生産に移行することでした。 リチウムは本質的に不安定であるため、研究者らは金属の形で材料を使用する代わりに、リチウムイオンを含むより安全な化合物に目を向けました。 1991 年、ソニーはリチウムイオン電池の商用版の発売に成功し、携帯用家電製品の変革に貢献しました。

このようなバッテリーは現在、スマートフォンやラップトップだけでなく、電動工具、電気自動車、ドローンなど、あらゆる種類のデバイスに電力を供給しています。 製造上の欠陥や過充電により、バッテリーが過熱したり、発火したりする可能性がありますが、初期の一連のノートパソコン用バッテリーのリコールや、自動車や航空機での多数の火災を経て、メーカーは現在、こうした問題を克服しているようです。

しかし、より優れたバッテリーの探求はまだ続いています。 電気自動車などの一部のアプリケーションにとって、これは変革をもたらすでしょう。 最近まで、電気自動車のバッテリーのコストは 1 キロワット時あたり 400 ～ 500 ドルで、おそらく車両の総コストの 30% 程度を占めていましたが、コストは低下しています (グラフを参照)。 ゼネラルモーターズは10月、2016年に発売予定の新型電気自動車「シボレー・ボルト」のバッテリーのコストは1キロワット時あたり約145ドルになるとの見通しを示した。 業界は、コストがキロワット時あたり約100ドルまで下がれば、補助金なしであらゆるサイズのガソリン車と競争できるため、電気自動車が主流になると考えている。

そこに到達するには、賢明な材料科学が必要です。 リチウムイオン電池は通常、電解質と呼ばれる材料を中心に積層構造として作られており、通常は液体またはゲル状の物質で、リチウムイオンが電極間を行き来します。

リチウムイオン電池は着実に性能が向上しています。 カリフォルニアの電気自動車メーカー、テスラの最高技術責任者、ジェフリー・“JB”・ストラウベル氏は、同社の現在のモデルSのバッテリーセルは、10年前に同社の最初の車であるロードスターに使用されていたものと同様の装置で製造されていると述べた。 しかし、化学と生産技術の向上により、それらに蓄えられるエネルギーは 50% 増加しました。 テスラは日本の電池サプライヤーであるパナソニックと提携して、ネバダ州に50億ドルをかけて自動車用電池のコストを下げる工場を建設した。 また、家庭で発電した太陽光発電の蓄電に使用できる「パワーウォール」（写真）と呼ばれる新しいテスラ電池も製造する予定だ。

薄く敷いてください

他の企業は、テクノロジーにおけるより根本的な変化を検討しています。 その1つがミシガン州の新興企業Sakti3で、固体電解質を使ったリチウムイオン電池の商品化を目指している。 全固体リチウム電池はすでに存在しますが、ほとんどは電気回路のコイン大のバックアップの形です。 電話などのデバイスに電力を供給できるほど生産プロセスを拡大するには、恐ろしいほどの費用がかかるでしょう。

しかし、Sakti3は、太陽電池パネルやフラットパネルディスプレイスクリーンなどの製造にすでに広く使用されている技術である薄膜堆積プロセスを用いて固体リチウム電池を製造する方法を発見した。 同社のアン・マリー・サストリー最高経営責任者（CEO）は「ソリッドステート技術は約2倍のエネルギー密度を提供する。これは携帯電話の通話時間の2倍、電気自動車の航続距離の2倍に相当する」と語る。 バッテリーセルの耐用年数も長くなり、より安全になると彼女は付け加えた。

では、なぜこれまで電池の製造にこの技術が使われなかったのでしょうか? 同社の強みは、どのような材料を使用するか、そしてプロセスを費用対効果の高いものにする方法を知っていることだと言われています。 同社がパイロット生産ラインを構築する前に、複雑な物理学を含むすべてが検討され、仮想的に広範囲にテストされました。 サストリー女史は、同社が材料を選択し、プロセスを開発する際に、仮想コンピューターのテストにより生産規模を拡大するコストを予測できるようになったと説明しています。 全固体電池を大量に製造した場合、1 キロワット時あたり約 100 ドルの価格になるはずであり、さらなる改善の余地があります。

当初、Sakti3 は自社の固体電池が家庭用電化製品に使用されることを期待していましたが、英国の家電メーカー、ダイソンが 10 月に同社を 9,000 万ドルで買収したと報じられて以来、その可能性はさらに高まっているようです。 袋のない掃除機を発明したダイソンは、高品質のバッテリーが必要であると考えている家庭用ロボット分野への拡大を進めている。 しかし、エンジニアリングをさらに進めれば、バッテリーは電気自動車や電力網の貯蔵庫にも移行する可能性がある。 世界中の多くの研究グループが電池の画期的な進歩に期待しており、その中にはマサチューセッツ州の新興企業24Mも含まれており、ナノテクノロジーを利用して費用対効果の高い「半固体」リチウムイオン電池と呼ばれるものを開発している。

「電池が世界を変えると思います」とバークレー校のシーダー氏は言う。「それは純粋に材料の問題です。」 彼はほぼすべての電池技術に取り組んできましたが、特に多大な労力が費やされてきたことから、リチウムが依然として彼のお気に入りです。 産業界が特定の技術に多額の投資をすると、埋没費用により確立された材料に大きな利点がもたらされます。 「しかし、それは私たちが新しい素材を見つけようとしないという意味ではありません」と彼は付け加えた。

ここにはシリコンとの類似点があります。 これは最高の半導体ではありませんが、容易に入手でき、安価でよく理解されており、チップ製造業界全体がこれを中心に構築されています。 業界を動かしてきたのはムーアの法則、つまり追加コストなしで 2 年ごとにチップ上のコンピューティング能力が 2 倍になるという法則です。 この法律は 1965 年にインテルの創設者の 1 人であるゴードン・ムーアによって提案され、それ以来ずっと運用され続けています。 しかし、チップ上に詰め込まれた機能が原子のサイズに近づくにつれて、それは終わりに近づいていると考える人もいます。 この規模になると、漏電や不安定性などの問題が発生し始めます。 いつかシリコンが、ガリウムヒ素、三硫化チタン、あるいはグラフェンなど、優れた電気特性を約束する他の材料に取って代わられる日が来るかもしれない。

取り出されていない宝物

「驚異の素材」として大いに宣伝されているグラフェンは、2004 年に英国のマンチェスター大学でアンドレ・ガイムとコスチャ・ノヴォセロフによって発見された炭素の一種であり、この研究によりノーベル物理学賞を受賞しました。 これは、数ある 2 次元マテリアルの 1 つであり、原子 1 個ほどの厚さしかないことからそう呼ばれています。 グラフェンは非常に軽くて強いため、多くの研究者や新興企業がグラフェンに移行しています。 それは透明です。 そしてそれを半導体として機能させることができます。 しかし、これまでのところ、ほとんどのグラフェンは研究機関で使用されており、研究機関はまだ「キラーアプリ」を探しています。 コンピューターチップのほかに、水浄化用の膜、より効率的な太陽電池、ガラス内の目に見えない電極などの用途が考えられます。 しかしその一方で、他の形態の炭素は、世界最大の製造業の 2 つにおいてすでに大きなビジネスとなっています。

炭素繊維複合材は飛行機の軽作業を実現しており、今では自動車にも使用されています

ライプツィヒにある BMW 自動車工場の中央建物は、近未来的なデザインで有名な建築家、ザハ・ハディドによる驚くほどモダンな建物です。 この工場ではさまざまな車両が生産されているため、あるエリアでロボットのグループが完璧に同期して動き、人間では真似できない精度で車体の各部を組み立てているのを見つけても不思議ではありません。 しかし、その場所は金属プレス機の轟音や溶接火花のシャワーもなく、異常に静かです。 何が起こっているかを知る手がかりはコンポーネントの色です。 通常のスチールやアルミニウムのシルバーではなく、これらのパーツは黒色です。 カーボンファイバーと呼ばれる複合材料で作られています。

この工場は他の点でも異なります。 2013年以来ライプツィヒでBMWのi3とi8の電気自動車とハイブリッド車を製造している部門責任者のウルリッヒ・クランツ氏は、「私たちは溶接をしていません。リベットもネジも​​ボルトもありません。コンポーネントを接着するだけです」と語る。 カーボンファイバーのボディが車両の強度を高めるため、アウターパネルは主に装飾用のプラスチックで作られています。 これらは小さな塗装ブースで簡単にスプレーできますが、金属の場合は巨大で費用のかかる塗装工場で入念な防食処理が必要です。 i3 工場では、従来の施設に比べてエネルギー使用量が 50%、水の使用量が 70% 削減されています。

iシリーズは高級車ですが、依然として大量生産されています。 BMW は、これまで航空宇宙や防衛などの少量生産の専門用途に使用されていた新素材を、大量生産に近いものに変えることに成功しました。 それには根本的な変化が必要でした。 2007年にBMW取締役会がクランツ氏に電気自動車と低エネルギー生産システムを考案するよう依頼したとき、彼と彼のチームはアイデアが自由に流れるように身を隠した。

クランツ氏が選んだ素材は、特にバッテリーの重量を相殺するためにカーボンファイバーだった。 この素材は、カーボンの細いフィラメントを布に織り込んで作られています。 これを切断して部品の形状にプレスし、繊維をプラスチック樹脂で結合し、熱と圧力で硬化させます。 炭素化合物の分子構造は、ダイヤモンドの場合と同様に強力な化学結合を生成し、繊維をさまざまな角度で整列させることにより、必要な箇所のコンポーネントの強度を正確に強化できます。

結果として得られる構造は、鋼鉄よりも強度がありながら、少なくとも 50% 軽く、アルミニウムよりも約 30% 軽いです。 腐食することもありません。 しかし、これまでの製造プロセスは高価で、時間がかかり、労働集約的でした。 戦闘機や F1 レーシングカーを作るときには、それはあまり重要ではないかもしれません。 しかし、航空機メーカーであっても、炭素繊維で旅客機を製造し始めると、作業をスピードアップしてコストを下げる必要がありました。

最近では、ボーイング 787 ドリームライナーやエアバス A380 および A350 などの航空機の重量の約半分が炭素繊維で占められています。 軽量の航空機は燃料消費量が少ないため、排出ガスも少なくなります。 より多くの乗客を乗せて、より遠くへ飛ぶこともできます。 多数の小さなアルミニウム パネルを接合する必要がなく、航空機の大きな部分を一度に作成できるため、製造面でも経済的です。 航空機メーカーは生産プロセスの一部をスピードアップする方法を見つけましたが、大量生産の自動車メーカーにとってはまだ時間がかかりすぎ、コストがかかります。

BMW が導き出した答えは、これまでとは異なる種類の工場と新しいサプライ チェーンでした。 これは、別のドイツ企業である SGL グループと三菱レイヨンとの合弁事業として日本の大竹で始まりました。 これにより、大きなスプールに巻かれた釣り糸に似た、いわゆる前駆体、ポリアクリロニトリル熱可塑性物質が生成されます。 これは太平洋を越えて、BMWとSGLの別の合弁事業の拠点であるワシントン州のモーゼスレイクに輸送される。 この場所が選ばれたのは、地元で発電された排出ガスのない水力発電を使用しているためです。

黒いカーペット

前駆体は一連の加熱段階を通過し、炭化されて直径わずか約 7 マイクロメートル (100 万分の 1 メートル) の黒色のフィラメントになります。 これらのフィラメント約 50,000 本が束ねられて太いストランドになり、繊維工場の糸と同じようにリールに巻き取られます。 炭化糸と呼ばれるトウは、大西洋を渡って、ミュンヘン近郊のヴァッカースドルフにある別の BMW と SGL の合弁事業に運ばれます。 ここでは、それらをシート状に織り、カーペットに似たスタックを作ります。

スタックがライプツィヒの工場に到着すると、加熱され、三次元の「プリフォーム」にプレスされます。 さまざまなプリフォームを一緒に配置して大きな構造を作成し、再度プレスしますが、今回は樹脂が金型に注入され、プレスツール内で最終コンポーネントが接着および硬化されます。 これは通常数分以内に起こりますが、航空宇宙工場によっては硬化に 1 日の大半を費やし、オートクレーブと呼ばれる加圧オーブンが必要になる場合もあります。 ロボットが部品を動かし、接着して車の本体構造を作ります。 さらに生産ラインに沿って、本体はアルミニウム製シャーシ、電気モーター、バッテリー、その他のコンポーネントを組み込んだ駆動モジュールに結合されます。

クランツ氏は、炭素繊維が自動車でより広く使用されると予想しているが、炭素繊維には常にさまざまな材料が含まれるだろうと考えている。 BMW の新しい 7 シリーズ エグゼクティブ カーには、いくつかのカーボンファイバー部品も採用されました。 他の自動車メーカーもこの素材の使用を開始しており、電気自動車の製造計画をほのめかしているアップルは、炭素繊維の製造についてBMWと話し合っていると伝えられている。 ボストンのコンサルティング会社ラックス・リサーチのアナリスト、アンソニー・ヴィカリ氏は、2020年代半ばまでに炭素繊維が自動車製造に広く採用されるだろうと予測している。

しかし、戦いがないわけではありません。 他の業界と同様に、伝統的な素材も改良されています。 アルミニウムのサプライヤーは新しい合金を開発しています。 エアバスの最高技術責任者ジャン・ボッティ氏は、「アルミニウムが現職で、彼らは猛烈な勢いで突き進んでいる。さもないと業界全体を失うことになるだろう」と指摘する。 アルミニウムの大手メーカーであるアルコアは、数多くの軽量合金を開発しています。 そのうちの 1 つであるマイクロミルは、複雑な形状をより簡単かつ迅速に成形できます。 フォードは、米国でのベストセラーモデルの1つであるF-150ピックアップの一部のスチールコンポーネントを交換するためにそれを使用し始めました。

その結果、メーカーには以前よりも幅広い材料の選択肢が提供されるようになった、とボッティ氏は言う。 炭素繊維は航空宇宙分野で驚異的な成果を上げたと同氏は考えているが、主に月に数機しか製造されない大型の長距離航空機に使用されている。 小型航空機での炭素繊維の使用を増やすために、航空宇宙企業は生産を加速し、コストをさらに下げる必要があるが、「炭素繊維のコストを大幅に削減できる可能性がある新しい技術を検討中です」。 エアバスとボーイングはともに、受注残に対応するため、主力の短距離航空機であるA320型機と737型機の生産を、驚くべきことに月間60機程度まで増やす計画を立てている。 それでも、企業は特定の仕事に最適な素材を選択することに常に注意を払うべきだと同氏は警告する。 同氏は、エアバスがA320を新型モデルに置き換える場合、短距離航空機において炭素繊維が最高の価値を提供するかどうかを慎重に検討する必要があると述べた。

エアバスも独自の新素材の開発を進めている。 そのうちの 1 つは、スカルマロイと呼ばれる独自のアルミニウム - マグネシウム - スカンジウム合金です。 軽量で高強度の部品の製造に特に適しています。 エアバス子会社によって商品化されており、すでに一部のレーシングカーに採用されている。 粉末状のスカルマロイは、多くの新しい材料を扱うのに理想的な革新的な製造形態、つまり一般に 3D プリンティングとして知られる積層造形にも使用できます。

積層造形は新しい材料を使用する完璧な方法です

自動車メーカーは、新車の実際に動作するプロトタイプを構築するのに 1 年を費やします。 作業の多くは手作業で行われるため、生産を行うための機械のセットアップには労力とコストがかかります。 しかし、テネシー州の研究者は、BAAM (Big Area Additive Manufacturing) として親しまれている自動化システムを持っています。 特に大型のものではありますが、ほとんどの人はこれを 3D プリンターと呼ぶでしょう。これは車のプリントに使用されます。

研究者らはオークリッジ国立研究所で働いており、多くの先進的な製造方法を研究しています。 BAAM は、工作機械会社である Cincinnati Inc と提携して、さまざまな工場キットの断片を組み合わせて作られました。 ある実験では、1960年代の古典的なスポーツカーであるシェルビー・コブラの電動レプリカのボディとシャーシの大部分を作成しました。 車両に組み込まれた印刷パーツは、80% のポリマーと 20% のカーボンファイバーの混合物を使用して構築されており、重量はわずか 227kg でした。 チームが車の設計、印刷、組み立てに要した時間はわずか 6 週間でした。

フェニックスに本拠を置くローカル・モーターズなど、数社は付加技術を利用して限定生産の自動車を製造しているが、3Dプリントは量産車にはまだ遅すぎる。 それでも、自動車のプロトタイピングやカスタマイズだけでなく、金型、工具、金型の製造などでも、すぐに自動車産業の一部になるだろうとオークリッジ社ディレクターのトム・メイソン氏は言う。 その事業の大部分は低賃金国に海外移転されていた。 「これで、これらのものを一晩で印刷できるようになりました」とメイソン氏は説明します。

3D プリンターで物を作ることは、人々の想像力を魅了しています。 近年、ハードウェアとソフトウェアの改良により、約 20 年前の基本テクノロジーがさまざまなプロセスに変わりました。 それらはすべて、プラスチック、金属、セラミック、さらには生物学的原料を使用して、材料の層を追加的に構築することに依存しています。 このようなプリンタは、数千ドルのデスクトップマシンから、金属部品を印刷するための 100 万ドルを超える巨大なモンスターまで多岐にわたります。

印刷できるサイズは、機械の中に何が収まるかによって決まりました。 現在、BAAM などの一部のプリンタは、いわば箱から出して使えるようになっています。 オランダの新興企業 MX3D は、スチール印刷装置を備えたロボットを使用して、運河を渡る 15 メートル (49 フィート) の歩道橋を印刷する計画を立てています。 中国企業の Winsun は、セメントとリサイクルされた建設廃材の速乾性混合物を使用して建物のプレハブ部分を印刷しており、シュトゥットガルト大学の Achim Menges は炭素繊維のストランドを印刷して、パビリオンなどの 1 回限りの建築構造物を製造しています (写真）。

唯一無二

何かを付加的に生産する利点の 1 つは、材料が必要な場所にのみ堆積されるため、無駄がほとんどないことです。 伝統的な製造では、おそらく材料の 80% が切り取られます。 さらに、製品の設計に使用されるソフトウェアでもプリンターを実行できます。 また、ソフトウェアは簡単に調整できるため、マシンをリセットすることなく、毎回異なるデザインを作成できます。 この技術は、新しい素材で複雑な形状を作成するのにも役立ち、劇的なパフォーマンスの向上につながります。 また、3D プリンティングは、鉄鋼のプレスやプラスチック射出成形などの大量生産プロセスに比べてまだ時間がかかりますが、一部の業界ではそれほど問題にならない可能性があります。

「加算技術により、全く新しい自由度が得られます」と GE Research の Idelchik 氏は言います。 同社は、フランス企業Snecmaと提携して製造している新型LEAPジェットエンジン用の燃料ノズルを生産するため、アラバマ州オーバーンの工場に5000万ドルをかけて3Dプリンティング施設を設置した。 GEは年間1,000個のノズルを印刷することから始めるが、最終的にはその数が4万個に達する可能性がある。 ジェット エンジンの燃料ノズルは、高温と高圧に耐える必要がある複雑な部品です。 通常、それは20の異なるコンポーネントから作られています。 代わりにGEは、コバルト、クロム、モリブデンで構成される粉末状の「超合金」の層をレーザーで融合させて、部品を一度に印刷します。 完成したノズルは旧型に比べて25％軽く、耐久性も5倍に向上しており、従来の製造方法ではまったく対応できなかった可能性があります。

「積層造形は、既存のプロセスを犠牲にして、間違いなく大きな地位を獲得するでしょう」と、英国企業 GKN Aerospace のエンジン責任者、ヘンリック ルネマルム氏は言います。 GKN の 3D プリントされたコンポーネントの一部は、すでに航空機やジェット エンジンに使用されています。 この技術は伝統的な技術と並行して使用されています。 ルネマルム氏は、材料の細いワイヤーを溶かして、従来の方法で鋳造されたコンポーネント上に形状を構築する例を挙げています。 さらに別のプロセスでは、3D プリンターが「ニアネットシェイプ」(最終形状に近い) のコンポーネントを作成し、その後工作機械を使用して従来の方法で仕上げられます。

積層造形には、特に材料の特性を途中で変えることができるため、多くの可能性が残されています。 Oak Ridge では、異なる性能特性を得るために、研究者らは層を形成する際の熱を微調整することで、部品のさまざまな部分の金属の結晶構造を特定することに取り組んでいます。 「これはまったく新しいことです」とメイソン氏は言う。 「これは、現時点では私たちのデザイン語彙にないものの 1 つです。」

3D プリントではさらに多くのことが可能になります。 Modumetal のナノラミネートも積層造形によって製造されます。 このプロセスは室温に近い温度で行われるため、3D プリントしたプラスチックの形状に金属を追加して、プラスチックと金属のハイブリッド複合材料を作成できることを意味するとロマスニー女史は言います。 そして、このプロセスは逆に実行され、コンポーネント内の金属が溶解して溶液に戻り、再び使用できるようになります。 ロマズニーさんは、「部品がまだ返却されていないため、リサイクル事業には取り組んでいません。しかし、理論的には可能です」と説明する。 多くの新素材では、リサイクルが必須の要件となる可能性があります。

リサイクルはより複雑になるが、材料の選択肢が大幅に広がることで製造業が変革される

製造業者は、自社製品のライフサイクルに対して責任を負うというプレッシャーにさらされています。 これには、材料の採取から生産、流通、そして最終的にはリサイクルや廃棄に至るまでのあらゆる段階でのエネルギー、環境、健康への影響をすべて考慮する義務が含まれます。 材料が複雑になるにつれて、それは難しくなります。

新しい素材がより広い世界にどのような影響を与えるかを測定する伝統的な方法は、元素に基づいて調べることです。 たとえば、何かに鉛が含まれている場合、それはおそらくあなたにとって良くありません。 マンガンが少しでも含まれていれば、おそらく安全です。 「それはとても時代遅れです」とバークレー校のシーダー氏は言う。 「多くの場合、これらの物質が体に与える影響は、化学的性質ではなく、その形状に依存します。」

そのため、ナノ粒子は特に困難になります。 環境と健康への影響については多くの研究が行われていますが、その多くは決定的ではありません。 スイス国立科学財団が主導するナノ粒子に関する5年間にわたる大規模な研究が2016年に発表される予定である。オーストラリアでの研究の一例が懸念を物語っている。

高度に発展した地域である南オーストラリア州では、製品中にナノ粒子が豊富に含まれており、その一部は排水システムに流れ込んでいます。 ここは乾燥した場所であるため、廃水の多くはリサイクルされ、処理された下水は畑の肥料として使用されます。 これにより、スイス連邦材料科学研究所の研究者は、この分野を一種の閉鎖システムとして研究できるようになりました。 彼らは、田畑と水の堆積物から、毎年環境中に排出される 4 つのナノ材料の量を計算しました。ナノ二酸化チタン 54 トン（日焼け止めに使用）。 10トンのナノ酸化亜鉛（化粧品に含まれる）。 2.1トンのカーボンナノチューブ（一部の複合材料で繊維の代わりに使用される中空チューブ）。 180キログラムのナノ銀（抗菌用途）。 そして、「バッキーボール」として知られる中空の球体で構成される、カーボンの別のナノ形態であるフラーレン120kg。

これらの粒子の最終目的地はさまざまです。 ナノカーボンは納入された部品に埋め込まれたままで、最終的にはゴミ捨て場となった。 酸化亜鉛と銀は下水処理場で化学的に通常の化合物に変換されるため、危険性はないようだ。 しかし、日焼け止めのナノ二酸化チタンは歩き回りました。 5％強が海に流れ込み、残りは野原に流れ着いた。 通常の形態では二酸化チタンは有毒ではないが（日焼け止めだけでなく歯磨き粉にも使用されている）、研究者らは、ナノバージョンの長期的な影響、特に高濃度の場合にどのような影響があるのか​​は分からないと述べている。

ぼんやりする

特定のナノ粒子は間違いなく厄介な影響を及ぼします。 一部の LED は、量子ドット (外部光源によって励起されると明るく輝く小さな結晶) を使用します。これはルミネッセンスと呼ばれます。 これにより、LED テレビやその他のディスプレイでより豊かな照明とより明るい色が生成されます。 ただし、ドットは有毒なカドミウム化合物から作られていることがよくあります。 これは、より安全な材料を開発する商業的インセンティブを提供します。

マンチェスターに本拠を置く企業Nanocoは、カドミウムフリーの量子ドットを開発した。 ダウ・ケミカル・カンパニーは、韓国の新しい工場でドットを製造する技術をライセンス供与した。 そして、ユタ大学のプラシャント・サースワット氏とマイケル・フリー氏は、食品廃棄物から得られた炭素から量子ドットを作製した。 これを溶剤に入れて高圧下で加熱します。 このプロセスはまだ規模を拡大する必要があるが、原材料は無料で比較的安全であるため、このアイデアには将来性がある。

より大きな品目の場合、耐用年数終了の問題は同様に困難であり、むしろより顕著になります。 エアバスとボーイングはどちらも、炭素繊維航空機をリサイクルするプログラムを持っています。 この業界では少なくともその数は数千台に限られているが、自動車メーカーが大規模にカーボンファイバーを採用した場合、最終的に何百万台もの古いカーボンボディの車を廃棄しなければならなくなるだろう。 場合によっては、材料を細断して低級部品に使用することもできます。

珍しい材料のリサイクルが必要になるかもしれません。 一部の要素は高価で見つけるのが困難です。 中国など少数の国からのみ輸入される可能性があり、供給が制限される可能性がある。 一部のレアアースを含む他のものは、大量に発見されず、採掘が困難です。 このような物質は、電気自動車やハイブリッド車でますます使用されています。 これらがさらに普及するにつれて、材料を解体して回収する新しい方法を見つける必要があります。

マサチューセッツ州ウースター工科大学のマリオン・エマート氏とダミカ・バンダラHM氏は、電気自動車からレアアース元素、特にネオジム、ジスプロシウム、プラセオジムを抽出する新しいエネルギー効率の高い方法を開発した。 彼らは、全電気自動車のシボレー スパークからモーターとその他の駆動コンポーネントをスライスして細断し、2 段階の化学抽出法を使用してレアアースとその他の有用な物質を分離しました。 この技術は、風力タービンや医療用画像機器など、モーターや磁石を含む他の製品にも利用できる可能性があるという。

一部の企業は、ライフサイクルアセスメント (LCA) と呼ばれるプロセスを使用して、環境への影響を把握しています。 「その考え方は、製品やサービスをゆりかごから墓場まで評価することです」とミシガン大学のこの分野の専門家クリスチャン・ラストスキー氏は言う。 LCA は、製品が市場に出てしばらく経ち、十分なデータが入手可能な場合に実行されていました。 今では、コンピュータモデリングを使用して事前に実行できるようになりました。 これは、新しい材料やプロセスについて多くの仮定を立ててテストすることを意味しますが、その分析は、起こり得る環境上の懸念に対する有用なガイドとなり、企業が材料を選択する際に役立つ可能性があるとラストスキー氏は説明します。

Sakti3 の支援を受けて彼が取り組んだプロジェクトの 1 つは、従来のリチウムイオン電池と全固体電池のライフサイクルの比較でした。 2014年に『Journal of Cleaner Production』誌に発表されたこの結果は、セルの特性や製造に使用されるプロセスの効率についての不確実性を考慮したとしても、電気自動車に全固体電池を使用するとエネルギー消費量が削減されることを示唆している。そして地球温暖化を削減します。

これらすべては、製造がますます複雑になり、ほぼ同じ方法で同じような製品を作る「me-too」工場の時代は終わりに近づいているという結論を示しています。 3D プリンティングなどのプロセスでは規模の経済が重要ではなくなり、少量生産と迅速なカスタマイズが可能になります。 人件費が総生産コストに比べて縮小するため、生産を低賃金国に移転する圧力が弱まります。 それは外国企業が中国での製造を放棄するという意味ではなく、中国で製造する物の多くが中国向けになるということだ。

コンピューティングコストが常に低下しているため、新素材の製造プロセスとライフサイクルをモデル化できることで、新しいアイデアを持つ新規参入者に市場が開かれます。 ほんの 10 年前までは、参入障壁が非常に高かったため、世界の自動車産業は 6 社未満のグループに統合されるだろうと広く考えられていました。 現在、新しい自動車メーカーがあちこちに登場しています。 テスラやおそらくアップルだけでなく、ローカルモーターズのような多くの小規模な専門企業も含まれます。

大企業も、新素材の独自レシピやカスタマイズされた生産技術を使用することで、ますます競争するようになるでしょう。 「優れた設計を行い、他の誰もが使用できる製造プロセスを使用するだけでは、力尽きてしまいます」と GE Research の Idelchik 氏は言います。 「しかし、独自の材料に適用される独自の製造プロセスを持っていれば、長期にわたる競争上の差別化を生み出すことになります。」

企業秘密

そう考えているのはイデルチク氏だけではない。 ライプツィヒにある BMW の工場では、標準的な産業機器とロボットが使用されています。 同社を特別なものにしているのは、材料がどのように作られるのか、そして材料が車に生まれ変わるプロセスをどのように制御するのかについて、同社が熟知していることだ。 これは材料科学の核心に触れます。 BMWのクランツ氏は、「当社は完全なプロセスと材料開発を掌握しているため、競合他社よりもかなり先を行っていると考えている」と語る。

将来的には、より多くの企業が自社のマテリアルを最大限に活用する必要があるでしょう。 強力な研究ツールが前例のない深さの科学データを提供するにつれて、試行錯誤の日々は終わりを迎えています。 3D プリンティングなどの新しい生産プロセスが製造業の経済性をより軽量かつ迅速なものに変えるのと同じように、コンピューターの電力コストの高騰により、あらゆる規模の企業がその情報を利用できるようになりました。

材料のより複雑な設計、エンジニアリング、生産、サプライチェーン、ライフサイクル管理を習得するには、新しいスキルと多くの起業家的才能が必要です。 暗い悪魔のような工場のイメージを払拭しようとまだ努力しているこの業界に、より多くの人々を惹きつけるかもしれない。 ものづくりは新たな時代を迎えています。 エジソンも心から賛同したでしょう。