【ものづくり】オートモーティブワールド2019:クルマの軽量化技術展

ハイテンフレーム、Mgフレーム、Alドラム、樹脂ウィンドウ、軽量樹脂、CFRPボンネット、CFRTPバンパービーム など

2019/01/23

要約

  第11回オートモーティブワールド(会期:2019年1月16日(水)~1月18日(金)、会場:東京ビッグサイト)は、リードエグジビションジャパン株式会社主催で開催された。本展示会は東京有明で毎年1月に開催され今回で11年目となる。第5回自動車部品&加工EXPO、第9回クルマの軽量化技術展、第11回カーエレクトロニクス技術展、第10回EV・HEV駆動システム技術展、第7回コネクテッドカーEXPO、第2回自動運転EXPOの6つの展示会から構成されている。部品会社、材料会社の各社が最新技術を披露する場となっており、全体では1,120社の参加となった。

  本稿では「軽量化」にスポットをあて、210社が出展した第9回クルマの軽量化技術展の中から、各種の材料技術を中心に取材した。

第11回オートモーティブワールド2019入場口
第11回オートモーティブワールド2019 入場登録
第9回クルマの軽量化技術展会場風景
第9回クルマの軽量化技術展 会場風景

 

 

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ハイテンフレーム材:1470MPa超ハイテン、980MPa高成形性ハイテン

  ハイブリッド車(HV)や電気自動車(EV)では重い電池を載せるため、電池以外のすべての部品に軽量化のしわ寄せがきている。つい最近まで、プレスといえば伸びのよい軟鋼材SPC(冷間圧延鋼板)270MPa級にボンデ処理(りん酸塩皮膜+石鹸処理)を施し、型の上を滑るようにしてプレスするのが常識だった。しかし近年、骨格材に使う薄板鋼板は難加工材のハイテン材や超ハイテン材が多くなってきている。ハイテン材は当初は単純曲げ加工程度であったものが、最近は軟鋼材と同じような形状が求められており、プレス加工の課題になっている。

  プレス機はプレス際で力を弱めたりできるサーボプレスが必要になっている。工法開発をしてやっと成形できても、金型は従来100万ショットの耐久性があったものが、同じ仕様では数千ショットしかもたないという。金型の表面処理もクロームメッキの5倍くらい硬い超硬コーティングが必須になっているが、それでも一般の軟鋼材用金型と比べると耐久性が無い。一方で冷間プレスはあきらめて、生産性の悪さはがまんして、成形が楽なホットスタンプ(熱間プレス)に移行する部品も出始めている。こうしたユーザーニーズに応えた鉄鋼メーカー側の改良として、980MPa高成形性ハイテン材などが展示されていた。

 

(出展会社概要)

会社名 展示品
新日鐵住金㈱ ハイテン材シリーズ「NSafe」
冷間プレス用 590、690、780、980、1180、1310、1470MPa
熱間プレス用 1.5、2.0GPa
JFEスチール㈱ 高成形性ハイテン材「JEFORMA」
冷間プレス用 980MPa級

 

新日鐵住金

  JIS規格の冷間圧延鋼板SPC材は強度270MPa級だが、自動車のフレームに使用される特殊薄板鋼板は最高で2GPa(2000MPa)級まで強度が上がっている。

  ピラー等の複雑形状のプレスでは、成形技術と材料技術が歩み寄り、980MPa級まで実用化できてきた。一方で、強度980~1470MPaの超ハイテンは、強度と相反する成形性能の制約から適用できる部品は単純曲げなど成形が容易な形状のものに限定されており、適用部品の拡大のためには、複雑な形状の加工が可能な新たな工法の開発が課題となっている。

展示品:自動車フレーム適用実例 展示パネル:NSafe-AutoConcept
展示品 NSafe
ハイテン材「NSafe」を使用する車体構造コンセプト 鉄鋼素材のみで30%の軽量化を実現する車体設計ソリューション
展示パネル:自動車フレーム部位別適用材料 1-21番 22-40番
適用強度:冷間プレス 980~1470MPa、熱間プレス 1.5~2.0GPa

 

JFEスチール

  ハイテン材は難加工材のため、型設計でも高度な解析技術を必要とするが、小規模なプレスメーカーではコンピューター解析に必要なソフトウェアも人材もいない。そのため、JFEスチールでは要望に応じて、割れのシミュレーションなどのサービスも行う。また、スポット溶接にも電流制御や圧力制御にノウハウが必要なため、指導を行う。中小事業者への支援サービスによって信頼を得る戦略を強化している。

量産材: 980MPa級・高成形性ハイテン材「JEFORMA」 展示パネル:コンピューター強度解析
JEFORMA 展示パネル
連続フランジ加工
左:エッジ割れあり、右:エッジ割れなし
連続フランジ割れ予測技術
従来予測が困難だったが、解析手法に目途がついた。


マグネシウムダイカスト:クロスカービーム、リアハッチ

  MERIDIAN LIGHTWEIGHT TECHNOLOGIES(本社カナダ)は世界最大のマグネシウム部品の製造メーカーで月産3,000トン。これは、日本で生産するマグネシウム自動車部品の総量よりも大きい。北米、欧州、中国に展開し、現在8工場。日本でのビジネスはまだ無いが、拡販によって生産拠点を持ちたい戦略がある。

  同社が得意としているのはマグネシウム合金の薄肉の大型ダイカスト。現在、米国車、欧州車、中国車の40モデル向けに量産している。

  展示品のマグネシウム製クロスカービームは、比重が1.8で鉄の1/4以下と軽く、大幅な軽量化を達成している。また、従来のクロスカービームは多くのスチール製プレス部品から溶接構成されているが、マグネシウムダイカストで一体成形することで、コストダウンも実現している。展示パネルの事例を見ると、北米のベストセラー車Ford F150ピックアップトラックのフロントエンドでは、構成部品点数は12個から1個、構造体は11.3kgから2.8kgになり、同時にコストダウンも実現している。

 

(出展会社概要)

会社名 展示品 備考
MERIDIAN LIGHTWEIGHT TECHNOLOGIES
(本社カナダ)
マグネシウムダイカスト製
クロスカービーム、リアハッチ
工場:世界8拠点 (北米4、欧州2、中国2)
生産量:月産3,000トン

 

量産:クロスカービーム 量産:リアハッチ
ヨロズ:展示品 ユニプレス:展示品
工法:マグネシウムダイカスト鋳造 工法:マグネシウムダイカスト鋳造

 

展示パネル:軽量化&コストダウン事例 展示パネル:マグネシウムダイカスト
エイチワン:展示品 エフテック:展示品



Ford F150フロントエンド構造体
軽量化▲75%、▲8.5kg(11.3→2.8kg)
大型製品を超薄肉で提供


マグネシウムダイカスト鋳造の材質と用途

材質 引張 耐力 伸び 用途
AZ91D 240 160 3% 高強度
AM60B 225 130 8% 高靭性
AE44 245 142 10% 耐熱材


アルミニウム:鋳鉄ライナー入りアルミドラム、アルミ高強度ボルト

  アルミニウムの強度部材への展開も増えてきている。

 

(出展会社概要)

会社名 展示品 工場
TPR㈱
(東京都千代田区)
鋳鉄ライナー入りアルミドラム 国内2工場(長野県、岐阜県)
海外26拠点(欧州2、米州4、アジア20)
日産ネジ㈱
(大阪府松原市)
アルミ高強度ボルト
(強度区分6T)

 

量産:鋳鉄ライナー入りアルミドラム
鋳鉄ライナー入りアルミドラム
左:完成品、右:鋳鉄ライナー、外周はアズロック仕上げ
エンジンのシリンダーライナー技術をブレーキドラムに展開。
展示パネル:アズロック(異材接合技術)

鋳鉄ライナー入りアルミドラム(TPR)

  TPRは自動車用シリンダーライナーの遠心鋳造技術、とくに外周特殊鋳肌(スパイニ:きのこ状突起)の製造技術を保有している。自動車の後輪に多用されているドラムブレーキの軽量化を狙い、この技術を使ったアルミドラムを開発している。スパイニ鋳肌の円環状鋳鉄をアルミに鋳込むことにより、アルミとの高い接合力と放熱性が確保できる。

  ドラムブレーキには摩擦材として有機系のライニングが使用されるが、アルミとの相性のよい材料は開発されておらず、鋳鉄のライナーは当面は必須部品となる。またブレーキの安全性の視点では、アルミドラムは繰り返しブレーキによる飽和温度を下げることができ、高速道路での片効きによる横転の防止、山岳路でのブレーキ液沸騰によるノーブレーキ、ベーパーロック現象の防止に役立つ。

 

量産:アルミ6Tボルト
展示品
ホームセンターなどで市販の鉄ボルトは4T相当などで、アルミ6Tボルト1.5倍強い。
展示パネル:アルミ高強度ボルトの機械的性質データ

アルミ高強度ボルト・強度区分6T(日産ネジ)

  日産ネジはネジ商社だが、軽量化に有効なアルミ高強度ボルトの展示があった。自動車規格の塩水噴霧試験もクリアしており、日系の自動車メーカー1社でも採用されている。軽量化が進むと、締結部品のボルトも軽量化に対応する車種が増えてくるが、ボルトは設計が難しい部品の1つなので、適用製品ごとに十分な検証が必要になる。

  締結技術の視点では、アルミは柔らかくアルミ同士のネジ部には、かじりによってネジが溶着し締結できなくなる問題がある。そのため、アルミのねじ部には硬質の表面処理を施す必要がある。一方、鉄ボルトの場合、アルミ部材締結で心配される異種金属接触による電食の問題はアルミ同士では発生しない。また、老朽原発のステンレス腐食問題で50年前の設計者にその知見がなかったことで有名になった応力腐食割れ(SCC)については注意が必要といえる。日産ネジでは応力腐食割れの発生しづらい材質を選定し、確認試験を行っているという。

 



樹脂ウィンドウ:ハードコーティング高速焼付機

  岩崎電気ではポリカーボネートPC樹脂の生産性を向上させるハードコーティング高速焼付機を生産している。開発品は「立体物照射対応 新型照射器」で特許がある。複雑形状でも照射距離に差が生まれる立体物でも高照度の維持が可能、立体物の影部にも効率よく照射できる。

  展示品はトヨタ プリウスに採用されているポリカーボネートPC樹脂製パノラマルーフ。平坦な樹脂ウィンドウに採用された事例だが、最近の高級アルミホイールのコーティングなどでも効果が大きいという。

 

(出展会社概要)

会社名 展示品 工法
岩崎電気㈱
アイグラフィックス㈱
量産:PC樹脂製パノラマルーフ
ハードコーティング
ハードコーティング高速焼付機
「立体物照射対応 新型照射器」

 

量産:PC樹脂製パノラマルーフ 展示パネル:立体物照射対応 新型照射器
展示品 展示パネル
工法:PC樹脂+ハードコーティング
搭載車種:トヨタ プリウス
ハードコーティング高速焼付


軽量プラスチック:PA射出発泡エンジンカバー、PC/PET高流動複合材スポイラー

  軽量化の流れはプラスチックにも及んできている。従来からプラスチックでできている部品は、さらなる軽量化を求められている。そのため、射出発泡成形で空隙を作成して軽量化したり、材料の流動性の改良により薄肉化して軽量化する手法が提案されている。

 

(出展会社概要)

会社名 展示品 工法
ユニチカ㈱ 量産:軽量エンジンカバー 発泡成形
材質:射出発泡成形用ナイロンPA「Foamilon」 比重1.0 30%軽量化
射出発泡成形
(コアバック発泡法)
㈱カネカ 量産:軽量リアスポイラー 薄肉成形・高光沢
材質:PC/PET高流動複合材
比重:1.3
射出成形
高耐熱性、高剛性、低線膨張性

 

軽量エンジンカバー・射出発泡成形用ナイロンPA「Foamilon」(ユニチカ)

  ユニチカはハイサイクルで生産できる発泡材料、射出発泡成形用ナイロンPA「Foamilon」を販売している。比重は1.0で、従来のナイロンの1.37よりもほぼ30%軽量になる。

  射出発泡成形は比較的新しい工法のため、対応する射出成形機も普及が進んでいない。新規で導入する場合、射出発泡成形用に材料投入後の冷却工程で型がバックするコアバック法がよいが、既存の射出成形機を使用する場合、材料をあらかじめ少なく投入するショートショット法で作成する。「Foamilon」は高難度のショートショット法でも成形できるように材料を開発し、広く普及するようにしている。

量産:軽量エンジンカバー 展示パネル:射出発泡成形用ナイロンPA「Foamilon」
展示品 展示パネル
材質:ナイロンPA「Foamilon」
工法:射出発泡成形(コアバック発泡法)
・比重1.0 30%軽量化
・ショートショット法対応材(従来設備に材料を少なく投入する)

 

リアスポイラー・PC/PET高流動複合材「カネカハイパーライト」(カネカ)

  カネカでは外装材用としてPCとPETを混ぜた高流動材「カネカハイパーライト」を販売している。バンパー等、外装材用に使用される材料は比重が1.1と軽いポリプロピレンPPが多いが、PCとPETを混ぜた高流動材「カネカハイパーライト」は流動性がよく強度も高いため、同じ射出成形でも薄肉に成形でき結果として軽量化ができる。

  また光沢があり、強度があまり必要でないデコレーション部材に採用が進んでいる。

量産:リアスポイラー 展示パネル:外装材「カネカハイパーライト」
展示品 展示パネル
材質:PC/PET高流動複合材「カネカハイパーライト」
工法:射出成形
<特徴>高耐熱性、高剛性、低線膨張性


炭素繊維:CFRP複合発泡ボンネット、CFRP高速プレス、CFRTPバンパービーム

  自動車の軽量化に関わる炭素繊維強化樹脂CFRPの展示も多くあり取材した。

  生産性改良で登場した熱可塑性CFRTPも短炭素繊維と射出成形の組み合わせでは適用範囲に限界がきている。最近は元に戻り、長繊維の織布との組み合わせに移行してきている。強度の高い熱硬化性CFRPの成形時間は、以前は加熱炉を使用するオートクレープ工法で3時間かかっていたが、熱プレス工法の開発と硬化剤の改良で5分以下まで短縮されてきており、熱可塑性CFRTPとの生産性の差もなくなってきている。熱硬化性樹脂への回帰の可能性もでてきた。

 

(出展会社概要)

会社名 展示品 工法
積水化成品工業㈱ 量産:ボンネット
CFRP複合発泡成形体
熱プレス法
5分成形
㈱栗本鉄工所 量産:ハイサイクルRTM設備
炭素繊維織布またはプリプレグ強化
熱硬化性樹脂CFRP
熱プレス法
5分成形
サンワトレーディング㈱
 ドイツBONDLaminates社製「TEPEX」
量産:リアバンパービーム
炭素繊維織布強化
熱可塑性樹脂CFRTP
熱プレス法
1分成形

注)プリプレグ:樹脂含浸された半硬化の連続繊維
炭素繊維織布:炭素繊維で織った織物
RTM (Resin Transfer Molding):熱硬化CFRP用工法。弱点の成形時間を短縮する熱プレス法。従来は20分かかっていたが、5分を切るようになってきた。

 

繊維強化プラスチックFRPの分類

  熱硬化性樹脂は主剤と硬化剤の混合や加熱などによる化学反応によって硬化する。CFRP成形では、強度や寸法精度等は熱硬化性樹脂が勝り、生産性やリサイクル性は熱可塑性樹脂が優れている。

強化繊維 使用樹脂 繊維長 代表的加工法 強度 生産性
FRP CFRP
炭素繊維強化
熱硬化CFRP 織布 オートクレープ × 3時間
熱プレス RTM法 〇 5分
短繊維 射出成形(熱硬化ノズル)
熱可塑CFRP=CFRTP 織布 熱プレス 〇 3分
長繊維 プレス LFT-D工法 ◎ 1分
短繊維 射出成形 × ◎ 30秒
GFRP
ガラス繊維強化

注:CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics カーボン繊維強化・樹脂):ゴルフクラブのシャフトが代表例。炭素繊維を重ねて樹脂で固めた複合材料。軽量で鉄並みの強度がある。加熱すると硬化する熱硬化性樹脂と加熱すると溶ける熱可塑性樹脂がある。
CFRTP (Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics カーボン繊維強化・熱可塑樹脂):加熱すると溶ける熱可塑性樹脂を使用する場合の略称

 

ボンネット・CFRP複合成形(積水化成品)

  積水化成品が得意とするのは各種プラスチックビーズ法発泡体技術。

  展示品はCFRP複合成形のボンネット、炭素繊維織布を表層に成形する高剛性な発泡体。

  発泡シート、発泡ボード、型内(ビーズ)発泡体などの積水化成品の幅広い発泡技術・発泡体成形加工技術を応用した発泡体にCFRPを積層した構造材。CFRP単体や金属では実現できなかった、高強度、軽量性、衝撃吸収性などの特長を有するため、自動車の比較的軽負荷の部位への使用が可能。

量産:CFRP複合成形ボンネット 展示パネル:CFRP複合発泡成形体「ST-LAYER」
展示品 展示パネル
搭載モデル:ホンダS660 NEO クラシックKIT 説明パネルの右横に製品断面を展示。
  白色部:発泡体
  表面:積層CFRP(熱硬化炭素繊維樹脂)
  厚み(約1~50mm)部品形状に合わせた複合体の提供が可能
<特長> 衝撃吸収特性が高い、軽量性、高強度

 

ハイサイクルRTMシステム(栗本鉄工所)

  栗本鉄工所では、熱硬化性CFRPの熱プレス成形設備を販売している。ハイサイクルRTM法で、特長として、従来20分かかっていた成形時間を5分以下に大幅に短縮できる。

  その他、連続炭素繊維強化熱硬化性CFRP引抜成形システム、連続炭素繊維強化熱可塑性CFRTP熱プレスシステムなど、用途に応じた設備を販売している。

ハイサイクルRTMプリフォーム 展示パネル:ハイサイクルRTMシステム
展示品 展示パネル
左:通常工程品 右:改良工程品 栗本鉄工所では設備を販売する

 

リアバンパービーム・炭素織布強化CFRTP(サンワトレーディング)

  サンワトレーディングは本田技研工業と共同開発で炭素織布強化CFRTP製のリアバンパービームを量産化した。サンワトレーディングは商社で、材料はドイツBond Laminates社製の熱可塑樹脂含侵ラミネートシートを使用し、成形はタカギセイコー社で行っている。

  特徴は連続繊維の織布を使用するため強度が高く、生産サイクルが1分以下と高速な熱プレス成形でコスト競争力があるとのこと。強度部材でも、熱などのかからない部位では、熱可塑性CFRTPの連続繊維で対応できることを証明している。

量産:リアバンパービーム 国内導入事例:ホンダ「Clarity Fuel Cell」
展示品 展示パネル
ホンダのFCV「Clarity Fuel Cell」に搭載
材質:炭素織布強化CFRTP(ドイツBond Laminates社製)
 強化材:炭素繊維織布
 樹脂:熱可塑性樹脂CFRTP
拡大画像:炭素繊維織布
本田技研工業、サンワトレーディング、ドイツBond Laminates、タカギセイコーによる共同開発


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キーワード
ものづくり、オートモーティブワールド、軽量化、アルミ、ハイテン材、マグネシウム、ダイカスト、プラスチック、樹脂、炭素繊維、CFRP、CFRTP、複合材、射出成形、発泡、プレス、新日鉄住金、JFEスチール、MERIDIAN、TPR、日産ネジ、岩崎電気、アイグラフィックス、ユニチカ、カネカ、積水化成品工業、栗本鉄工所、サンワトレーディング

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