最新の軽量化技術:オートモーティブワールド2017

住友ベークライトが樹脂製エンジン大物部品を、積水化成品工業がトヨタC-HR採用の発泡樹脂製シート部材を展示

2017/02/17

概要

 オートモーティブ ワールド 2017 が、東京ビッグサイトにて2017年1月に開催された。その一環として開催された、第7回 クルマの軽量化技術展を中心に、展示概要を報告するレポートの第二弾。

  炭素繊維強化樹脂(CFRP=Carbon Fiber Reinforced Plastics) の技術展示を取り上げた前編に引き続き、本編ではその他の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、発泡樹脂などの軽量技術に関する展示の概要をまとめる。

 住友ベークライトは、熱硬化性樹脂・コンポジットを用いたパワートレインとブレーキシステム向けの軽量化ソリューション「sbdrive」を訴求し、樹脂製の3気筒一体式バルブカバー、1気筒エンジンシリンダーブロック、ブレーキキャリパーコンセプトなどを展示した。

 積水化成品工業は、ポリスチレン・ポリオレフィン複合樹脂発泡体「ピオセラン」を使った、トヨタC-HRに採用されたシート部材を展示(右写真)。また、積水化学工業も発泡樹脂を用いたドアトリムとエアダクトを出展した。

 東洋紡は金属代替を狙うガラス繊維強化ポリアミド樹脂製のドアミラー部品などを展示。また、Bond Laminatesとサンワトレーディングは連続ガラス繊維(ガラス繊維の織物)に熱可塑性樹脂を含浸させた素材を使った、ホンダのFCV クラリティ向けのリアバンパーの展示を行っていた。そのほかに樹脂関連では、大日本印刷は超耐候ハードコート転写フィルムを使った曲面樹脂ガラスを、宇部マテリアルズは機能性フィラー モスハイジを展示していた。

 また、金属素材を使った軽量化提案については、アーク社が7000系アルミで一体成形したドアインパクトビームを訴求し、浅野が通常のホットプレスでは成形が難しい形状のホットプレス部品の展示を行っていた。

トヨタ C-HR採用のシート部材:「ピオセラン」とワイヤーが一体成形されている。
発泡樹脂を用いたトヨタ C-HR採用のシート部材:積水化成品工業の展示

オートモーティブワールド 2017 取材レポート
・炭素繊維強化樹脂の最新技術:積水化成品工業と旭化成が発泡樹脂とCFRPの複合材を展示
・自動運転実現のため、2018年までに高速・自動車専用道路の三次元地図を生成
・トヨタの自動運転(上):ADAS進化型と完全自動運転の2つのシステムを開発



住友ベークライト:樹脂製エンジン大物部品、樹脂製ブレーキキャリパーを展示

  住友ベークライトは、熱硬化性樹脂・コンポジットを用いたパワートレインとブレーキシステム向けの軽量化ソリューション「sbdrive」を提供していく。今までは小型部品向けが中心であったが、これからはより大型の部品、エンジン、ブレーキ、トランスミッション、モーターなどの大物部品の軽量化に貢献していきたいとしている。

 今回の展示会では、樹脂製の3気筒一体式バルブカバー(シリンダーヘッドカバーとシリンダーヘッドの上部が一体化)、1気筒エンジンシリンダーブロック、ブレーキキャリパーコンセプトなどを展示。

住友ベークライトは、「やってみよう いまだかって されていないこと 熱硬化性樹脂&コンポジットで」をテーマに出展。
住友ベークライトは、「やってみよう いまだかって されていないこと 熱硬化性樹脂&コンポジットで」をテーマに出展。

 

樹脂製エンジン部品:一体式バルブカバー

 フェノール樹脂製の「3気筒一体式バルブカバー」を公開。エンジンの吸排気のカムシャフトを保持する部品で、樹脂製にしたことにより同アルミ製より3割程度軽くなる。量産に向けた評価をしている段階で、コストはアルミと同等以下を目指す。なお、写真撮影は不可であった。

左側の目隠しの中に一体式バルブカバーが展示されていた(写真撮影不可)。右側は下記の樹脂製エンジンブロック。
左側の目隠しの中に一体式バルブカバーが展示されていた(写真撮影不可)。右側は下記の樹脂製エンジンブロック。

 

樹脂製エンジンシリンダーブロック

  BMW の二輪車F650用の水冷1気筒エンジンをベースに、エンジンブロックをフェノール樹脂化した(シリンダーライナーはアルミ製のまま)。製造コストはアルミと同等。ガラス繊維強化フェノール樹脂の場合はアルミより14%、カーボンファイバー強化の場合は同28%軽量化を図る。暖機運転、ノイズ低減などでも効果がある。自動車メーカー、サプライヤーからの問い合わせを多く受けているとのこと。

樹脂製エンジンブロック(BMWの二輪車用エンジンがベース)
樹脂製エンジンブロック(BMWの二輪車用エンジンがベース)

 

樹脂製ブレーキ部品:ブレーキキャリパーなどの樹脂化を狙う

 ブレーキ部品の樹脂化については、住友ベークライトはフェノール樹脂製ピストンを既に販売しており、鋼鉄製のものに比べて重量が1/2になる。ブレーキパッドのバックプレートのフェノール樹脂化にも取り組んでおり、ブレーキメーカーでの評価の段階。ブレーキパッドは既に樹脂化されているため、パッドとプレートがともに樹脂化されれば接合が強固になるところがポイント。

 次はより大きいキャリパーの樹脂化を狙う。今回の展示品である、樹脂製キャリパーのコンセプトは約1kgと非常に軽いが(下記写真)、強度計算なしに市場流通品と同一形状で製作されたモックアップということ。実際に使用に耐える設計をすると、形状を従来品より大きくしたり、金属と複合成形するなどして、2kg近くの重量にはなるとしている(スタンダードなオール鋳鉄製だと5-6kg)。

 従来の金属製のブレーキキャリパーはシリンダーボディが弾性変形することでパッドがローターを挟むが、フェノール樹脂は剛直だが延びがないところが課題。そのため、同社の金属と樹脂の接合技術や、抄造材と長繊維フェノール材との複合技術(下記)などを提案していきたいとのこと。

写真左が樹脂製ブレーキキャリパーのコンセプト。
ブレーキパッドのパックプレートを樹脂化
写真左が樹脂製ブレーキキャリパーのコンセプト。 単純に同一形状で 製作したため、約1kgと非常に 軽いが、実際には強度不足を補い、サイズアップや金属との成形で 約2kg 近くにはなりそう。写真右は アルミシリンダーと鋳鉄併用のキャリパー(約3kg)。
ブレーキパッドのバックプレートを樹脂化



抄造技術を応用した多機能繊維複合材料

 紙すきのように、樹脂の繊維を水の中で降り積もるように重ねて作る抄造技術を使った繊維複合材を、住友ベークライトは開発。アルミド繊維にフェノール樹脂を絡ませて製造。でき上がったものはカーペット状のものになり、その後焼き固める。 繊維の絡み合いの効果によって、高強度と軽量を両立。そして、様々な繊維を必要な箇所に絡ませることにより、様々な必要な機能(電磁波シールド、熱伝導など)を必要な箇所に配置することができる。2年を目処に量産に向けた準備をしている段階。

ガラス系長繊維フェノール樹脂に抄造複合材を組み合わせた、自動車ブラケット。
抄造複合材(成型前:写真左)と、抄造複合材とフェノール樹脂を使ったギア(写真右)。
ガラス系長繊維フェノール樹脂に抄造複合材を組み合わせた、自動車ブラケット。抄造複合材を組み合わせることで、曲げ強度が高まる。
抄造複合材(成形前:写真左)と、抄造複合材とフェノール樹脂を使ったギア(写真右)。このギアは、金属製に比べて音圧が低くなり、ナイロン製と比較して耐久性も高まるとしている。


積水化成品工業:トヨタ採用の「ピオセラン」(ポリスチレン・ポリオレフィン複合樹脂発泡体)を使ったシート部材を出展

  積水化成品工業は、ポリスチレン・ポリオレフィン複合樹脂発泡体「ピオセラン」を使ったシート部材を展示。トヨタが2016年12月に発売した小型SUV C-HRに採用されている。

  「ピオセラン」は、発泡樹脂ポリスチレンにポリオレフィンをハイブリッドさせた高機能発泡樹脂。ポリスチレンの優れた剛性、高発泡性、高断熱性に加えて、ポリオレフィンの持つ耐衝撃性、対薬品性、耐摩耗性を付与し、ポリスチレンの弱点を補った。金型の再現性や寸法安定性が優れているのも大きな特徴とのこと。

  従来のシートの組み立て方法は、ウレタンにワイヤーを組み合わせていた。ウレタンより軽量な「ピオセラン」をシートの芯材として利用することで、シートの軽量化を図ることができていた。しかし、部品点数が増えるため工数が増えるという課題があり、今回は、ワイヤーと「ピオセラン」を使った芯材を一体成形することで、工数削減を実現した。

トヨタ C-HR採用のシート部材:「ピオセラン」とワイヤーが一体成形されている。
座席シートの組み立て方法(資料:積水化成品工業)
トヨタ C-HR採用のシート部材:「ピオセラン」とワイヤーが一体成形されている。

座席シートの組み立て方法(資料:積水化成品工業)



積水化学工業:発泡樹脂を使ったドアトリムとエアダクトを展示

高倍率発泡成形品を用いたドアトリム

 積水化学工業は、開発済みの発泡樹脂を用いたドアトリムを展示。従来のソリッド品と比べて、発泡樹脂(積水標準グレード:下記)のドアトリムは580gと35%軽量化。樹脂を約1.3mmの肉厚で射出成形を行い、樹脂内部のガスによって約2.6mmへ約2倍に発泡させる。高い外観性も特徴とのこと。

 軽量化を果たしつつ耐衝撃性や曲げ強度は自動車メーカーの要求レベルに達しており、タイミングを見て、順次採用されていく予定。既に量産品としてSUVデッキがある(3500gと40%の軽量化)。今後、バックドア、パッケージトレイ、デッキサイドトリム、インパネ、グローブボックスなどに用途を提案していく。

高倍率発泡成形品を用いたドアトリム
高倍率発泡成形品を用いたドアトリム

物性比較

形態 ソリッド 発泡
対象部位 ドアトリム ラゲッジ周り
比較対象品 薄肉 ベンチマーク 他社発泡品 積水標準グレード 積水高衝撃グレード 積水良軽量グレード
肉厚(mm) 2.0 2.3 1.7→3.0 1.35→2.7 1.5→2.8 1.35→2.7
比重 0.9 0.9 0.97 0.96 0.96 0.9
目付(g/平方メートル) 1,800 2,070 1,750 1,300 1,450 1,215
重量低減率(対目付) 13% - 15% 37% 30% 41%
曲弾性勾配(N/cm) 27 30 35 35 29 33
シャルピー衝撃(KJ/平方メートル) 5.7 5.7 6.4 6.5 13 3.5
-30℃落球衝撃(J) 7.8(○) 7.8(○) 5.0(○) 5.8(○) 7.3(○) 3.0(○)
側突性能

資料:積水化学工業説明資料より作成。



フォームエアダクト

 また同社は、発泡樹脂を使ったエアダクトを試作。従来のソリッドPE(ポリエチレン)を使った場合と比べて、80%以上の軽量化を図ることができる。発泡樹脂であるため高い防音性、断熱性もある。欧米系自動車メーカーでの採用が決まっているとのこと。高い耐熱性と強度が求められない部位での採用を狙う。今後の課題はコスト低減と、生産性を高めていくことにあるという。

フォームエアダクト
フォームエアダクト


東洋紡:ガラス繊維強化樹脂などで金属代替をアピール

ガラス繊維強化ポリアミド樹脂 グラマイド JF-30G

 東洋紡は、金属代替を狙うガラス繊維強化ポリアミド樹脂「グラマイド」で、高い剛性を持つグレード「JF-30G」を訴求。同グレードはガラス繊維が重量比70%混合されており、硬さはマグネシウムと同じくらいで、衝撃にも強い。曲げ強度(23℃、乾燥)は460MPa、曲げ弾性値(23℃、乾燥)は27.0GPa。展示会ではドアミラー部品の例を出展して、金属部品を樹脂化することによる軽量化メリットを訴求。

 今後は機構部品や足回り部品への拡大を狙う。課題としては、部品採用にあたっての試験方法が確立していないことにあるとのこと。また、部品単体の代替提案では、金型の入れ替えなど生産工程が変わるためコストが導入時は高くなることがある。他の部品との一体成形など、付加価値を高めた提案をしていく方針。

ガラス繊維強化ポリアミド樹脂グラマイド製のドアミラー部品と金属製の比較
ガラス繊維強化ポリアミド樹脂「グラマイド」製のドアミラー部品と金属製の比較

 

樹脂製エンジンルーム内耐熱エアダクト

 ゴムと金属部品で作成されたエンジンルーム内耐熱エアダクトを、異なる二つの樹脂で一体成形した例を展示(エクセル社成形品)。1,384gから820gへ約40%軽量化。使用した樹脂は硬質材料ポリエステルエストラマー「ペルプレン」と、軟質材料PBT「バイロペッド」で、特殊な処理や高金型温度は不要とのこと。

 現在は、特にターボ部品で採用が増えている。ゴムと金属部品製のものに比べて、価格は高くなるが、軽量化と組立工数減でアピールしていきたいとのこと

樹脂製エンジンルーム内耐熱エアダクト
樹脂製のエンジンルーム内耐熱エアダクト(写真上側)


Bond Laminates/サンワトレーディング:TEPEX 連続繊維熱可塑材料

 ランクセス (LANXESS)傘下のBond Laminatesの製品を取り扱うサンワトレーディングは、連続繊維(織物のこと)などに熱可塑性樹脂を含浸させた素材TEPEXとガラス繊維強化樹脂Durethanを使った加工品を展示。

 一番目立つ場所に展示されていたのが、ホンダのFCV クラリティのリアバンパー。連続ガラス繊維強化熱可塑性樹脂TEPEXとガラス繊維強化熱可塑性樹脂 TEPEX flowcore、ガラス繊維強化ポリアミド樹脂Durethanという3つの樹脂が使われている。3つの異なる素材を使いながら、リブも含めて1回の成形で完了するハイブリッド成形をホンダが開発。後加工も必要ない。鉄と比べて50%、アルミと比べて20%軽量化できるとのこと。成形はタカギセイコーが担当。他にもMercedes-AMGモデルのシートパンに採用されているなど、高級車を中心に、欧州メーカーでTEPEXなどの利用が増えている。

 TEPEXにはガラス連続繊維を用いたものの他に、カーボンやアラミドの連続繊維のラインナップもあり、含浸させる熱可塑性樹脂もPA66、PA6、PPなどに対応している。

 素材の価格は、鉄の10倍以上と非常に高いが、ハイブリッド成形を進めていき、製造コストなどを含めたトータルコストを訴求していきたいとのこと。 今後、採用数を増やしていくには、部品の設計が課題となる。金属部品の素材を単純に入れ替えるという考え方では設計ができないため、この素材にあった設計方法を自動車メーカー、部品メーカーと協同しながら対応していく必要があるとしている。

 

ホンダのFCV クラリティに使われているリアバンパー
Mercedes-AMG GTに2015年から採用されているシートパン
ホンダのFCV クラリティに使われているリアバンパー。連続ガラス繊維強化熱可塑樹脂TEPEXなどが使われている。

Mercedes-AMG GTに2015年から採用されているシートパン。TEPEXとDurethanが使われている。

TEPEXの材料を使ってハイブリッド成形を行った例
TEPEXの材料を使ってハイブリッド成形を行った例
TEPEXの材料を使ってハイブリッド成形を行った例。成形後、エッジ部分の処理は不要で穴空けも成形時に同時に行えるとのこと。


大日本印刷:超耐候ハードコート転写フィルムを使った曲面樹脂ガラス

 大日本印刷(DNP)は、超耐候ハードコート転写フィルムを使った曲面樹脂ガラスを出展。DNPは同転写フィルムを使った樹脂ガラスを2016年2月に産業用途向けに発売している。今回は、自動車用に曲面に対応可能なように、転写フィルムのハードコート部を改良。曲面は直径160mmの円弧まで曲げることが可能。

 海外の自動車メーカーに納入予定。まずは、リアやサイドの窓ガラスの代替を狙う。 樹脂ガラスの重量はガラスに比べて半分以下。価格はガラスに対して、2倍以内であれば、採用に至るようになってきたとのこと。フロントガラスへの取り組みは、要件が厳しく、今後の課題としている。

超耐候ハードコート転写フィルムを使った曲面樹脂ガラス
耐候テストの結果
超耐候ハードコート転写フィルムを使った曲面樹脂ガラス
耐候テストの結果


宇部マテリアルズ:機能性フィラー モスハイジ

 宇部興産の完全子会社である宇部マテリアルズは、自動車用のPP(ポリプロピレン)などに添加して機能を強化するフィラー「モスハイジ」を展示。モスハイジは、繊維状塩基性硫酸マグネシウムのことで、結晶構造が繊維状であるため、フィラーとして利用した場合に、タルクなどと比べて剛性が上がりフィラー量の低減と、薄肉化による軽量化が可能。繊維状ではあるが、体内に入った場合でも体液に溶けやすく、アスベストのような問題は起きない。
 単価はややタルクよりは高いが、少ない量でフィラーとしての機能を果たすのでトータルコストの低減をアピールしていきたいとのこと。

モスハイジを添加したPP製のドアトリムの模型。
モスハイジを添加したPP製のドアトリムの模型。


金属素材を使った軽量化:アークのアルミ一体成形ドアインパクトビーム、浅野の難形状ホットプレス

アーク:アルミ一体成形ドアインパクトビーム

 自動車などの新製品開発の支援を行っているアーク社は、高い強度を持つ7000系のアルミを用いたドアインパクトビームの試作品を展示。ホットプレスで成形した後、時効硬化処理を行うことで高張力鋼板と同等の強度を持たせる。鉄製のパイプとブラケットを用いたドアインパクトビームと比べて55%の軽量化を図ることができるとともに、組み立て工数の削減にも貢献する。

 担当者によれば、「展示会中は自動車メーカーを中心に関心が高かった。今後の課題は、コスト、成形サイクルタイムの短縮、接合など」とのこと。

アーク:アルミ一体成形ドアインパクトビーム
写真一番下が7000系アルミでホットプレス成形したドアインパクトビーム。真ん中の黒い部品は同形状を鉄でプレスしたもの。奥は、同じ金型でアルミを冷間成形したもの。割れが発生し成形できない。

ドアインパクトビームの比較

スチール3ピース溶接構造
(ハイテンパイプ)
アルミ一体成形
(7000系)
強度 590Mpa 570Mpa
比重 7.85 2.8
板厚 3mm 3mm

質量
(スチール3ピース溶接構造=100)

100 45
締結 異材 リベット締結 同材 スポット溶接

資料:アーク社説明資料より作成。

浅野:難形状ホットプレス部品

 通常ホットプレスは、鋼板をあらかじめ熱してから金型で急冷することで高い引っ張り強度を持たす事ができる。そのため、多工程が必要な成形の場合は適用ができなかった。

 そこで、浅野は一つの金型に三段階で可動する仕組みを持たせることで、金型一つで二工程分を行う事ができる成形方法を開発。その金型で成形した、ホットプレス部品の試作品を展示した(右写真)。

浅野:難形状ホットプレス
難形状ホットプレス

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キーワード
樹脂、金属代替、ガラス繊維、ホットプレス、アルミ

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