次世代ブレーキシステムのアディティブマニュファクチャリング

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軽量で効率的:アディティブマニュファクチャリングがもたらす付加的なメリット

列車で使用されるブレーキシステムでは、安全性、信頼性、性能が常に最優先事項です。これらの分野では、ワブテックがメトロフレックスとレジオフレックスのブレーキソリューションで業界をリードしています。Metroflexxは大量輸送鉄道業界の標準を確立し、Regioflexxは郊外鉄道、都市間鉄道、地域鉄道、高速鉄道向けの最新世代のソリューションです。

どちらのシステムも安全であるだけでなく、市場で最も軽量で効率的であり、鉄道事業者に大きなメリットをもたらします。当社のエンジニアは、空気圧部品の代わりにソフトウェアを使用することと、アディティブマニュファクチャリングという 2 つの主要な設計および製造機能によってこれを実現しています。これらの革新的で最新のソリューションを活用することで、両方のブレーキ製品の信頼性と性能を向上させながら、メンテナンスや取り付けにかかる時間とコストを削減し、効率性を向上させています。

ブレーキの設計と製造に対する革新的なアプローチ

MetroflexxとRegioflexxを開発するにあたり、Wabtecはブレーキシステム内で安全上重要な機能を果たす一部の空気圧コンポーネントを、同じ安全レベルのソフトウェアエミュレーションに置き換えることで大きな飛躍を遂げました。この利点は明らかです。実際には物理的な製品ではないコンポーネントでも、開発や検証以外のコストは発生せず、重量もかからず、設置上の制約もなく、メンテナンスも必要ありません。空気圧コンポーネントにはプロジェクト固有の設定が必要ですが、いったんエミュレーションソフトウェアに置き換えられると、設定はソフトウェアパラメータに置き換わり、プロジェクトで一度修正するだけで済みます。

この変更は革新的であり、Wabtecはそこでやめることもできたはずですが、私たちはさらに先に進むことにしました。私たちは、軽量化と製品をお客様にとってより有利なものにするために、残りの空気圧部品にアディティブマニュファクチャリングを採用することを検討することにしました。

アディティブ・マニュファクチャリングをミックスに加える場合

空気圧部品は伝統的にアルミニウム製で、アルミニウムビレットで機械加工されるか、製造量が許す限り鋳造されます。各部品は、穴あけ加工または接合されたパネル、あるいはパイプに取り付けられた状態でフランジ加工され、空気圧部品とその支持体との間の各界面には、気密性を高めるための留め具とシールが必要です。このシステムにより、メンテナンスのためにコンポーネントを簡単に取り外せるようになりますが、余分な部品を使用することには代償が伴います。ブレーキシステムのオーバーホール中にすべてのインターフェースのシールを交換する必要があり、漏れが発生しやすくなるからです。これはメンテナンスコストの増加と信頼性の低下、そして重量の増加にもつながります。

ワブテックがMetroflexxとRegioflexxを開発していたとき、積層造形技術はすでに鉄道を含む多くの業界に革命をもたらしていました。当社のエンジニアはすでにMetroflexxとRegioflexxで使用される空気圧コンポーネントの数を最小限に抑えていましたが、この新しいテクノロジーを最大限に活用して物理的な統合をさらに推し進め、必要な空気圧インターフェースの数を最小限に抑えたいとも考えていました。

あらゆる分野での改善

下の図1の一番上の画像は、Metroflexxのメインプレートの初期設計を示しています。鋳造アルミニウムと主要な空気圧コンポーネントをプレートにフランジでつなぎ、すべての空気圧インターフェースにシールとネジが付いています。下の画像は、アディティブ・マニュファクチャリングによる同じ Metroflexx プレートの設計を示しています。

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図1: 鋳造プレート付きのMetroflexxの初期バージョンと3Dプリントバージョン

アディティブテクノロジーは、製品そのもの、製造方法、そして製品のライフサイクル全体にわたって、複数のメリットをもたらします。

物理インテグレーション

• 主要な空気圧コンポーネントの本体がプレート本体に完全に統合されているため、空気圧インターフェースと機械インターフェースの数が制限されています。さらに、シールの数が大幅に減るため、信頼性が向上し、メンテナンスコストが削減されます。
• 内部配管は大幅に最適化され、空気圧性能が向上しています。プレート上の部品配置も加工上の制約なしで最適化できるため、メンテナンスが容易になります。
• Metroflexxの3Dプリント版では、32個ものパーツが1つのコンポーネントに統合されています。

重量が改善されました。

電子ラック、空気圧式ブレーキパネル、ホイールスライド保護バルブを備えた従来のブレーキ制御装置では、ブレーキ制御の重量は約70kgです。

従来のブレーキ制御装置に代わるMetroflexxは、鋳造アルミニウムプレートを使用した初期設計では重量が15kgでした。アディティブ・マニュファクチャリング・プレートを使用して製造した場合、Metroflexxの重量は10kgに下がり、33% の軽量化を実現しました。5kgの違いは列車の積載量に大きな影響はありませんが、メンテナンスの面では大きな違いがあります。Metroflexx（またはRegioflexx）は10kgのライン交換可能ユニット（LRU）であるため、特別な工具を使用せずに、1人のオペレーターが20分以内に列車内で交換できます。つまり、修理やオーバーホールは、列車の空き状況に影響を与えることなく、専門のワークショップで行うことができます。10kgのメトロフレックスとレジオフレックスは、市場で入手可能な統合ブレーキコントロールの中で群を抜いて最軽量です。

プロセッシング

加工時間が 80% 短縮され、部品の製造に必要なエネルギーは 4 で割られます。鋳造サプライヤーへの依存がなくなったことで、当社のサプライチェーンはより柔軟になりました。その結果、輸送の必要性が減り、最低要件なしで必要に応じて数量を注文できるようになりました。

デザインの進化

設計は柔軟性に富んでいるため、関連するデジタルモデルを変更するだけで必要に応じて変更を行うことができるため、ツールの変更に関連するコストがかかりません。

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図2: 鋳造プレート付きのMetroflexxの初期バージョンと3Dプリントバージョン

安全性を保証するための徹底的なテスト

ブレーキシステムなどのセーフティクリティカルな機器に関しては、ワブテックはイノベーションのテストと検証を非常に真剣に受け止めています。アディティブマニュファクチャリングも例外ではありません。当社の製品は、主要な安全機能を検証するために最も厳しいテストを受けています。

1. 特に配管やコンポーネントにおいて、空気圧流路を清潔で汚染のない状態に保つ方法を検討しました。
2. 当社の研究所では、高圧水圧試験と疲労試験を実施して、圧力下での製品の堅牢性を確認しました。
3. 実際の列車環境に耐えられるよう、製品は衝撃や振動にさらされました。
4. 製品を極端な温度にさらしたり、塩水噴霧にさらしたりするなどの環境試験を実施しました。

この広範な検証プログラムにより、この技術は従来製造されていた空気圧システムやコンポーネントと同等の安全性と耐久性を保証できると確信できました。

アディティブマニュファクチャリング:何層にも重なるメリット

アディティブ・マニュファクチャリングがもたらす利点は無数にあり、いくら強調してもしすぎることはありません。この技術は製造される部品の重量を減らすだけでなく、製品機能の統合を可能にし、機器のメンテナンスの必要性を制限します。スペアパーツの製造時間とリードタイムを短縮すると同時に、サプライチェーンの軽量化にもつながります。これらのメリットは鉄道事業者にとって有利ですが、エネルギー消費量を大幅に削減することで製造プロセスをより環境に優しいものにするため、環境にとっても良いことです。

今後、ワブテックは最近、フランスのトゥールにヨーロッパのアディティブマニュファクチャリングセンターを建設することを決定しました。同工場では、ポリマー部品や金属部品の製造が可能で、設計コンサルティング、概念実証の実施、検証や認証のサポートから、3Dプリンティングやポストプロセス（機械加工、塗装、表面処理など）に至るまで、バリューチェーン全体を対象としたサービスを提供しています。

私たちは、鉄道輸送業界がより安全で環境に優しい未来に向けてスピードを上げるのに役立つ、これまで以上に信頼性が高く効率的なブレーキシステムを開発するために、この画期的なテクノロジーの可能性を解き放つことに全力を注いでいます。