スチール素材の最新軽量化技術:超高張力鋼板/テーラーブランク/ハイドロフォーミング

Mubeaとthyssenkruppのスチール素材軽量化技術

2016/07/22

要約

 CFRPやアルミニウムを活用した軽量化技術が進む一方、スチール素材を使った軽量化技術も着実に進化している。今回のレポートでは、人とくるまのテクノロジー展2016横浜での展示とワークショップの講演内容から、スチール素材の軽量化技術として、ホットスタンプ材と超高張力鋼板、テーラーブランク、ハイドロフォーミング等の最新動向を紹介する。

 自動車メーカー各社は、ホットスタンプ材と超高張力鋼板をキャビンまわりの骨格部材に採用を進めている。特に、ボディサイド部は、側面衝突時の変形を抑えるために、高強度のニーズが高い部位で板厚も厚くなるため、最新技術による軽量化効果の大きい部位でもある。トヨタプリウスのフロントピラーは超高張力鋼板をテーラーブランクで、下部の板厚を下げて、軽量化を行っている。

 Mubeaのテーラー・ロールド・ブランク材は、ロール成形時に部位ごとに板厚を変更してシート材を作ることで、きめ細やかな板厚変更を可能にしており、VW GolfやFord FocusのBピラー等に採用されている。

 また、thyssenkruppは、将来の鋼板材として、引っ張り強さと伸びの特性を両立する鋼板材を開発している。これにより、キャビン周りの変形を抑える部位で、エネルギー吸収が可能になり、また、エンジンコンパートメント等のエネルギー吸収を主体とする部位で、変形を抑える鋼板が使えるようになる。そして、車体骨格構造の開発の自由度が増し、衝突安全性能の向上や軽量化が、さらに進化すると考えられる。

 

関連レポート
CFRP適用技術の欧州動向:人とくるまのテクノロジー展2016 RTM最新技術とCFRP/メタル複合化技術
人とくるまのテクノロジー展2015:マツダデミオの最新車体技術
クルマの軽量化技術展2015: 熱可塑性炭素強化繊維樹脂等
CFRPの新量産技術、CF/GF強化繊維、ホットランナーシステムなど
BMW:Efficient Dynamicsを新たな方向へ進化させる4つの先進技術



車体骨格構造へのホットスタンプ材と超高張力鋼板の適用状況

 最近の車体骨格構造の考え方として、フロントサイドメンバー等のエンジンコンパートメントは、正面衝突時に適度な変形をさせて、エネルギーを吸収できる構造とし、一方、フロントピラーやBピラー、サイドシル等のキャビン周りの骨格部分は、変形を抑えて、乗員の生存空間を確保する構造となっている。特にボディサイド部分は、側面衝突時に、変形を最小限に抑える必要がある。したがって、それぞれの骨格に使われる素材も異なる特性が求められている。ボディサイドは、硬く、高強度のスチール素材とし、そのために、最近の傾向として超高張力鋼板や熱間成形材が使われることが多い。また、衝撃吸収をする必要のあるサイドメンバーは、冷間成型材を使うことで、強度よりも伸びの良い特性が重視されている。

Audi A4 車体構造 資料:Audi
Audi A4 車体構造 資料:Audi

 上図はAudi A4セダンの車体構造で、クラッシャブルゾーンのエンジンコンパートメントはアルミニウム材と冷間成形材のスチールを使っているが、キャビン周りの骨格構造には、ホットスタンプ材(図中紫色:hot-formed steel)が、多用されている。特にボディサイドのAピラー、Bピラー、サイドシルインナーにホットスタンプ材が集中的に使われている。

Mercedes-Benz C-class 車体構造 資料:Mercedes-Benz
Mercedes-Benz C-class 車体構造 資料:Mercedes-Benz

 上図はMercedes-Benz C-class の車体構造で、やはりエンジンコンパートメントにはアルミニウムと冷間成形材のスチールを使う一方、キャビン周りの骨格構造には、ホットスタンプ材(hot-formed steel)、及び超高張力鋼板材(ultra-high-strength steel)が多用されている。


トヨタプリウスの車体構造 資料:トヨタ自動車
トヨタプリウスの車体構造 資料:トヨタ自動車

 上図はトヨタプリウスの車体構造で、Audi A4、Mercedes Benz C-class と同様に、キャビン周りの骨格部材に、ホットスタンプ材、980Mpa級の超高張力鋼板を使っており、フロントピラー、Bピラー、サイドシルのボディサイド部分は、特に重点的に高強度部材が採用されている。

新型プリウスフロントピラー
新型プリウスフロントピラー
新型プリウスのBピラー
Lexus LSのBピラー

 上の写真は、人とくるまのテクノロジー展2016横浜にて、フタバ産業が展示していたプリウスのフロントピラーとLexus LSのBピラーである。この2つの部品にテーラーブランクが採用されている。このテーラーブランクはレーザー溶接により、2種の板材を接合した鋼板を、プレス成形している。写真を見るとわかるように、フロントピラー、Bピラー共に、レーザー溶接の接合部があり、ここを境にピラーの上部と下部の板厚を変更している。断面積を大きく確保できているピラー下部分では、板材に発生する応力が小さく、その分の板厚を薄くし、軽量化を行っている。新型プリウスのフロントピラーは、超高張力鋼板を使用することで薄板化を行っているが、さらにテーラーブランクを採用することで、さらなる軽量化を行っている。



テーラー・ロールド・ブランクの適用例

 前述のテーラーブランクをさらに一歩進めたのが、テーラー・ロールド・ブランクである。レーザー溶接で種類の違う板材を接合する代わりに、板材をロール成形する際に、最初からニーズに合った板厚に細かく変更して造り上げた後に、その素材をプレス成形する。

Ford FocusのBピラー(下部)
Ford FocusのBピラー(下部)
Ford FocusのBピラー(上部)
Ford FocusのBピラー(上部)

 上の写真は、Ford FocusのBピラーで、人とくるまのテクノロジー展でのMubeaの製品展示である。Bピラーの下部から、1.35mm → 2.3mm → 2.1mm → 2.4mm → 2.7mm → 2.4mm → 2.1mmときめ細かく、板厚を変更している。Bピラーは、側面衝突時に乗員空間を確保するための重要な骨格部材であり、衝突時の変形を最小限に抑える必要がある。一方、重量軽減を考えると、必要以上の板厚は減らしたいため、断面形状を大きく確保できている最下端部の板厚を1.35mmまで下げて、ドアヒンジからの入力も含め、大きな入力を受ける中央部は2.7mmとしている。通常のテーラーブランク材は板厚の違うスチールパネルを溶接で接合しているため、変更部分は階段状にステップ的に変化する。それに対し、テーラー・ロールド・ブランク材は、1/100の傾きで板厚変化を滑らかに徐変させている。これにより、レーザー溶接によるテーラーブランク材と比べると、板厚変化部に継ぎ目がなく、且つ変化が滑らかなため、加工硬化が無く応力の集中も防げるため、側面衝突時にそこを基点としたクラックの発生を防ぐことができる。

Ford FocusのBピラーへのテーラー・ロールド・ブランク材の適用事例 資料:Mubea
Ford FocusのBピラーへのテーラー・ロールド・ブランク材の適用事例 資料:Mubea

 Bピラーのコンベンショナルな構造例と、テーラー・ロールド・ブランク適用例の比較を、前述の写真で説明したFord Focusの具体例での比較結果をMubea資料で説明する。コンベンショナルな構造例では、Bピラーレインフォースメントは、板厚2.0mmと1.4mmの2部品で構成する必要がある。同等の強度剛性を持つ部品として、テーラー・ロールド・ブランク材では、板厚1.35mmから2.7mmに部位ごとに板厚を変化させた1部品にすませ、部品点数の削減ができる。そして、重量では -1.3kg、-10%の軽量化が可能になる。

 さらに、Ford Focusの上図左下の材料取りの図のとおり、同じBピラーの部品取りを上下に配置することで、スチールパネルからの材料の歩留まりを向上させている。Bピラーの形状は上部幅が細く、下部が幅広くなっているので、同じ方向に配置して、材料取りをしてしまうよりも、上図のように2部品を上下に反転させて、隣り合わせて部品取りすれば、材料を無駄に捨てることを防げる。そして、このテーラー・ロールド・ブランク材の芸が細かい点は、板厚を8段階に変化させる内、Bピラーの上側7段階(徐変区間を含めると、13区間)の寸法を上下対称の寸法にすることで、上下反転の材料取りを可能にしていることである。軽量化の追求だけでなく、コスト低減もきめ細かく追及していることが分かる。

ムベア社のテーラー・ロールド・ブランク材 資料:Mubea
ムベア社のテーラー・ロールド・ブランク材 資料:Mubea

 上図はMubeaのテーラー・ロールド・ブランク材の製造工程で、青色のローラーの位置を制御して、フレキシブルローリングによる圧延により、板厚を自在に変更できるという。一定板厚部位と徐変部位を作り分けることが可能であり、細かく板厚を最適化することで、強度剛性を確保しながら、軽量化とコスト低減を可能にする。VW Golfにも採用されており、欧州・北米OEMを中心として採用が広がっている。



テーラー・ロールド・ブランク材のハイドロフォーミングへの適用例

テーラー・ロールド・ブランク材のハイドロフォーミングへの適用例 資料:Mubea
テーラー・ロールド・ブランク材のハイドロフォーミングへの適用例 資料:Mubea

 テーラー・ロールド・ブランク材を使った鋼管材のハイドロフォーミングの適用例を紹介する。前述のフレキシブルローリングによる圧延工程で、板厚を部位ごとに変更した鋼板材を溶接して鋼管材を作る。そして、その鋼管材を使ってハイドロフォーミングで曲げ加工して製品化する。上図は、Audi A4、Q5、A6、A8で採用しているリヤサスペンションメンバーの前後方向のフレームである。

 ハイドロフォーミングは、中空の鋼管材を複雑な形状に曲げ成形する技術で、断面形状も変更することができる。鋼管材をメス型に入れた状態で、鋼管材の内部に流体を注入し、メス型でプレスすると同時に、内部の流体に高圧力を加えて、製品形状を成形する。サスペンションメンバーのフレーム部に採用されている。

 今回のAudiの例では、板厚の一番薄い部位で1.8mm、一番厚い部位で3.6mmとして、一部品の中で板厚を変更して製品化している。従来構造では、一定の板厚で作るところを、部位によって半分の板厚まで低減することを実現している。

 Audiは、A4、Q5、A6、A8の4車種、2WDと4WDの仕様も含めると6種類のサスペンションメンバーが存在するが、テーラー・ロールド・ブランク材の板厚を変更することで、ハイドロフォーミングの成形型は1種類ですましている。ハイドロフォーミングの場合、板厚違いの鋼管材を使った場合、内径側に板厚変更分の寸法差がでても、外径を同じにすれば、ハイドロフォーミングの型を共用できる。これによって、6種類の仕様の部品を一型で成形可能としている。

Audi 4車系に共用化したハイドロフォーミング部品の実施例 資料:Mubea
Audi 4車系に共用化したハイドロフォーミング部品の実施例 資料:Mubea


ホットスタンプ材(熱間成型材)と冷間成型材の将来

 人とくるまのテクノロジー展2016横浜のワークショップで、thyssenkruppより、ホットスタンプ材(熱間成型材)と冷間成型材の将来についての講演もあった。以下にその内容を紹介する。

車体骨格構造における熱間成型材と冷間成型材の使用例 資料:Thyssenkrup
車体骨格構造における熱間成型材と冷間成型材の使用例 資料:thyssenkrupp

 現時点のホットスタンプ材(熱間成型材)と冷間成形材の使い分けとしては、上図のように、正面衝突のエネルギー吸収のために、エンジンコンパートメントには主に冷間成形材が使われている。そして、乗員空間を確保するためのキャビン周りの骨格、特に側面衝突に対する変形を最小限にするために、ボディサイドはホットスタンプ材(熱間成形材)が使われている。

Thyssenkrupの鋼板材の将来開発目標 資料:Thyssenkrup
thyssenkruppの鋼板材の将来開発目標 資料:thyssenkrupp

 thyssenkruppは、中長期の目標として自動車産業向けの新しい鋼種と技術開発を行っている。従来のホットスタンプ材(熱間成形材)では「引っ張り強さ」は高いレベルでも、「伸び」については期待できないレベルであったが、「伸び」についても高いレベルに対応できる新しい高マンガン(アルミ)鋼の開発を行っている。また、冷間成形材の超高張力鋼板についても、「引っ張り強さ」と、「伸び」両方を高い次元で両立する第3世代ハイテン材を開発している。

Thyssenkrupの新世代の熱間成形材と冷間成形材 資料:Thyssenkurup
thyssenkruppの新世代の熱間成形材と冷間成形材 資料:thyssenkrupp

 上図左側は、熱間成形用鋼板をBピラーに用いた場合の軽量化例を説明している。前述のとおり、側面衝突時に乗員空間を確保するために、Bピラーは変形を抑える重要な役目があり、高い強度が求められる。強度を上げるためには板厚を厚くする必要があるが、高強度な鋼板を使うことで板厚を薄くし、軽量化が可能となる。thyssenkruppは、800MPa級冷間成形用二相鋼で板厚2.0mmを用いたBピラーを、1500MPa級の熱間成形用マンガンボロン鋼に変更することで、-15%の重量軽減が可能であるという。

 また、上図右側は、冷間成形用と熱間成形用鋼材の特徴を示している。thyssenkruppの高マンガンボロン鋼系の三層コンポジット材であるTriBond(オレンジ色)は、冷間成形用鋼材(青色)に対し、衝突性能(耐変形性)と部品の複雑さ(成形性)の両方に対応している。TriBondは、1500MPa級のマンガンボロン鋼を中心に、その外側を500MPa級マンガンボロン鋼で挟んで三層構造にすることで、適度な引っ張り強度と曲げ特性を両立している。

Thyssenkrupの新世代の熱間成形材と冷間成形材の適用例 資料:Thyssenkurup
thyssenkruppの新世代の熱間成形材と冷間成形材の適用例 資料:thyssenkrupp

 thyssenkruppの目標とする新しいホットスタンプ材(熱間成型材)と冷間成形材が実現すると、高い引っ張り強度で変形を抑える特性と、伸びが良くエネルギー吸収に対応する特性を両立する鋼板が可能になる。これにより、キャビン周りの変形を抑える部位でのエネルギー吸収が可能になり、またエンジンコンパートメント等エネルギー吸収を主体とする部位でも、変形を抑える鋼板が使えるようになる。そして、車体骨格構造の開発の自由度が増すことで、衝突安全性能の向上や軽量化がさらに進化と考えられる。

                     <自動車産業ポータル、マークラインズ>