株式会社本田技術研究所
ジェネレーティブ デザインを活用した 未来の自動車エンジンの開発
THE FUTURE OF MAKING ― ものづくりの未来
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従来の設計による重量を半減したジェネレーティブ デザインによるクランクシャフトのプロトタイプ
温室効果ガスの排出削減を実現するため、自動車メーカーは燃費向上と CO2 排出量低減を重要な目標にしています。燃費の改善においてはデザインが重要な役割を果たしますが、そのための極めて有効な手段となるのが軽量化です。リデュース設計の実現には、ボディ骨格からエンジン、ボルトまで、あらゆる部品の構造や材料を再度見直す必要があります。Honda の研究開発部門である本田技術研究所が、その軽量化の最新のターゲットとしたのは、エンジンの最も根幹となるパーツ、クランクシャフトでした。
イノベーションの記録
本田技術研究所は、アディティブ マニュファクチャリングなど先進的な製造テクノロジーに早い段階から注目。トポロジー最適化による設計手法を探索する中で、複数の形状解を生成できるジェネレーティブ デザイン が、従来の設計概念を大きく変えることになると考えたと言います。そしてエンジンのさらなる軽量化のため、このテクノロジーを活用した設計・製造を見据えたプロジェクトが始められました。
ジェネレーティブ デザインは、既に自動車業界ではシートベルト ブラケットや ECU、オートバイのフレームなどさまざまなパーツの再設計に適用され、それぞれのケースで大幅な軽量化が可能であることが示されてきました。
株式会社本田技術研究所 先進技術研究所 材料・プロセス所属の戸髙宏純氏
エンジンの中でも主要機能部品であるクランクシャフトの場合には、軽量化に際してデザイン面における独自のチャレンジが存在します。ピストンの往復運動を回転力に変換する重要な役割を果たすため、非常に高い強度と剛性が要求されるのです。
本田技術研究所の先進技術研究所で機械設計と流体機械の設計を行う戸髙宏純氏は、「エンジンの燃焼圧に耐えうるような形状、回転体としてのバランスなど、クランクシャフトには備えるべき機能が数多くあり、そこから導き出された形状が使われてきました」と述べています。「エンジン開発には長い歴史があり、クランクシャフトも既に完成されたパーツとされています。その中で、従来部品重量から 30% もの軽量化を目指すという、かなりチャレンジングな目標を設定しました」。
新しい考え方の学習
本田技術研究所は、この前例を見ないプロジェクトにオートデスクとのコラボレーションで取り組むに際して、柔軟な思考を養うところからスタートしました。同研究所で、設計された形状を具現化するプロセスの確立や新たな材料の研究開発を行う魚住久雄氏も、「どうしても固定概念のバイアスがかかってしまうところを取り除き、この部品に必要な機能だけを純粋に考えたときにどういう設計になるか、を考えることが重要です」と述べています。「そうした考え方の基礎を作るような、ロジカルシンキングのワーキングを一緒に行いました」。
戸髙氏も、「ジェネレーティブ デザインやアディティブ マニュファクチャリングを用いた設計には新しい考え方が必要であり、そのためには頭を柔らかくしなくてはならないと感じていました」と言います。
埼玉県和光市の本田技術研究所で行われたロジカルシンキングのワーキング
より優れたクランクシャフトを目指して
そして、まずは Honda 側から提示された要件を満たす形で、オートデスクが Netfabb や Fusion 360を使ってクランクシャフトのファースト ロットのモデルを作成。「Honda のノウハウとして持っている荷重や拘束条件の数字を共有して、オートデスクのチームとディスカッションを繰り返しながら形状を出していきました」と、戸髙氏。
これまで四輪・二輪のエンジンにおいて、経験をもとに設計を行い、解析を繰り返し行ってきた戸髙氏は、その第一印象を「人間の骨のような、すごく有機的な形状で、これを自分の頭の中で考えて出すのは無理だなと思いました」と述べています。
その後、本田技術研究所のプロジェクト メンバーはロンドンを訪問し、ジェネレーティブ デザインに関するトレーニングを受けます。また英国バーミンガムの Autodesk Technology Center を訪問し、アディティブ マニュファクチャリングなど設計以外の工程に関する議論も行われました。同センターについて、戸髙氏は「設計してすぐに試作ができるので、フィードバックがすごく早い環境だと思いました」と述べています。
プロトタイプを洗練
このモデルで得られた知見をもとに、本田技術研究所はレイアウト要件や強度要件にミートさせるべく境界条件を再設定し、セカンド ロットのモデルを設計しました。「オートデスクのチームは、航空宇宙など、さまざまなバックグラウンドに持つメンバーで構成されていました。我々の意図を汲み取ってもらうことができ、かなり短い時間の中で、ここまで形にすることができました」と魚住氏。
ファースト ロットのレンダリング [提供: 本田技術研究所]
従来のトポロジー最適化では単一のソリューションのみが提供され、手作業で時間をかけて修正が必要になるのに対して、ジェネレーティブ デザインは多数の設計オプションを提供します。Fusion 360 のジェネレーティブ デザイン機能について、戸髙氏は「設計者として思い浮かばないような提案をしてくれるところに感動しました」と述べています。こうしてデザインされた新しいクランクシャフトは目標を大きく上回り、実に 50% もの軽量化を達成。その一方で、剛性や強度面に対する懸念も抱いたと言います。
チームのメンバーは、このプロトタイプを実際にエンジンに搭載して性能試験を実施し、多くのデータを取得。この結果をオートデスクのチームとも共有して、ジェネレーティブ デザインのプロセスをさらに進化させる取り組みが行なわれています。「クランクシャフトのように回転する部品に対してジェネレーティブ デザインを適用したことは、Honda とオートデスクの両社にとって、とても良い経験になったと実感しています」と、戸髙氏。
ジェネレーティブ デザインによるクランクシャフトを金属 3D プリントしたプロトタイプ
製造と設計を統合した新たなモデル
製造を加味した設計は、非常に価値のあるものになります。戸髙氏は「アディティブ マニュファクチャリングを前提とした設計をする、型を使う、5 軸の加工をするなど、設計制約を考慮した形状が提案されます」と述べています。
Honda にとって、このプロジェクトはアディティブ マニュファクチャリングの可能性を明確にするものとなりました。「形状については賛否があるものの、それだけ注目されているのだと受け止めています」と、戸髙氏は振り返ります。「軽量化に関してはまだ道半ばですが、どうしていけばゴールを達成できるかというところは見え始めています。将来、ジェネレーティブ デザインが革新的な製品設計のスタンダードとなるよう、今後も研究要素のひとつとして様々なアプリケーションを対象に取り組むことが我々の役目だと考えています」。
株式会社本田技術研究所 先進技術研究所 先進ものづくり所属の魚住久雄氏