第1回クルマの軽量化技術展(EV展と同時開催)取材報告(2)

発泡樹脂の活用と新しい樹脂成形技術の提案

2011/02/14

要 約

 以下は、2011年1月19~21日に開催された第1回クルマの軽量化技術展(第2回EV・HEV駆動システム展と同時開催)での、樹脂、特に発泡樹脂の活用と新しい樹脂成形技術の紹介を中心とした出展内容の概要である。

 発泡樹脂は軽量性に加え、断熱性、緩衝性(耐衝撃性)、遮音性などの特性があり、採用が拡大している。

 新しい樹脂成形技術として、ウエルドラインや"そり"の問題を解決する次世代金型温調技術(山下電気)や、ボイド(気泡)を解決するIMP工法(PLAMO)など、成形の精度を高め、また金属からの代替も含め樹脂製品の採用拡大を目指す工法が出展された。

 なお、アルミニウムなど軽量素材の活用を中心とした出展内容概要については、取材報告(1) を参照方。



発泡樹脂を中心とした、軽量化の提案

 JSPは、自動車の17の部位について、発泡樹脂の活用による軽量化を提案した。材質は、PP、PC(ポリカーボネート)、PS(ポリスチレン)などから、バイオマス由来の自動車ドアも出展した。うち約4割は既に商品化されているとのこと。

JSPが出展した、バイオマス由来のドアパネル
JSPが出展した、バイオマス由来のドアパネル(ドアパネル1枚の重量は約9kgで、
鋼板ドア比約7kg軽量化し、ドア4枚で約30kgの軽量化が可能)

 

JSPが出展した、スーパーフォーム工法で製造した、日産車のエアコンダクト
JSPが出展した、スーパーフォーム工法で製造した、日産車のエアコンダクト(下段はトラクター用ダクト)

 

JSPの、車の各部位に発泡樹脂を使用する提案

製品名 材質 特徴と用途
ピーブロック PP  原料のPPをビーズ(粒子)状に発泡させた後、金型内で加熱・成形し、ブロック類をつくる製法。特徴は、軽量、緩衝性、断熱性、耐熱性など
 シートクッション、ツールボックス、ドアミラー、ドアパッド、ヘッドレスト、サンバイザーなど、JSPの提案する各製品のなかで最も用途が広い。
ミラポリカボード PC  PC(ポリカーボネート)を3倍に発泡。耐熱性、極寒衝撃性、剛性などに優れ、天井材、トノカバー(荷室、荷台を覆うカバー)として提案する。
ミラポリカフォーム PC  PCを12倍に発泡し、高い耐熱性(120℃)を有し、マイナス30℃でも室温とほぼ同じ耐衝撃性を持つ。マイナス30℃~80℃の熱サイクル試験でも寸法変化が少ない。天井EA(Energy absorbing)材として提案する。
ヒートポールGR AS  ヒートポールGR(AS樹脂、Acrylonitrile styrene copolymer)は、耐熱性、寸法精度、耐薬品性が高く、乗用車荷室のデッキボードに提案する。
スチロダイア PS  PS(ポリスチレン樹脂)を50倍に発泡する。軽量化と高剛性が特徴。室内床面の平滑化を目的に、床下に設ける嵩上げ材に使用する提案。
スーパーフォーム PP  ブロー成形(金型に溶融樹脂を注入し、その内側に気体を吹き込んで中空体を形成する成形方法)と発泡を同時に行い、多彩な成形品を 1 工程で製造する。この工法で製造した日産車用エアコンダクトを展示した。
バイオマス
由来のドア
開発品 ドアパネル"バイオマスコンポジット"を開発した。植物由来の発泡樹脂を芯材とし、繊維強化樹脂(FRP)で挟む構造。FRPの樹脂は、植物由来の不飽和ポリエステル、繊維はガラス繊維、炭素繊維、または植物繊維を使用する。
 バイオマス由来のドアは、パネル9.14kgを含み総重量21kg、鋼板のドアはパネル15.76kgを含み総重量28kg。1枚で7kg、4枚で約30kgの軽量化が可能。鋼板と同等の強度が得られる。バイオマス度最大80%設定が可能。

(注)発泡樹脂は、原料となる樹脂に、発泡剤を混練あるいは含浸して加熱することにより、気泡を育成して製造する。樹脂は発泡により断熱性や緩衝性など下記のような多様な機能が生まれるとともに、混入する気泡の量や泡の大きさ・形・割合などを変えることで、バラエティに富んだ製品創出が可能(JSP資料)。

軽量性  発泡樹脂は軽くて持ち運びに便利。通常の樹脂製品の半分以下の重量で、同程度の実用強度を実現できる。
断熱性  内部が、気泡が何重にも重なった構造のため、保温、保冷、撥水性、に優れる。
緩衝性  外部からの衝撃エネエルギーを吸収して、素早く元の姿に戻る優れたクッション性で、破損からカバーする。
遮音性  振動を吸収するとともに音を遮る効果があり、防音材、吸音材としても役立つ。

 

キョーラクは、発泡ダクトや、ブロー成形品のバンパーアブソーバー(EA材)などを出展した。

 ダイワボウプログレスは、車用途に広く使われているゴムスポンジと、現行品から30%軽量化した"EPT#143"を出展した。

 

発泡ブローダクトと、ブロー成形品のバンパーEA材

メーカー 製品/技術 概要
キョーラク 発泡ダクト  発泡ブロー成形技術により、エアコンダクトの断熱性確保と軽量化を可能にした。顧客のニーズに合わせて、発泡倍率と板厚の設定が可能(発泡倍率を大きくすると断熱性が高まる)。天井ダクトとインパネダクトに採用されている。
バンパー
アブソーバー
(EA材)
 歩行者保護のためのバンパーアブソーバーを出展(EAはEnergy Absorbingの略)。歩行者と衝突した際の衝撃を吸収し、歩行者を保護する。CAE解析と衝撃試験機により性能評価を可能にした。
 従来のスチール製EA材の重量は1,250gだが、汎用PP材のブロー成形品は600gと重量を半減。スズキ系のバンパーアブソーバーに採用されている。

軽量カーゴフロアリッド(デッキボード)

キョーラク FLPライト  FLPはFabric-laminated plasticの略で、表皮と一体でブロー成形し表皮後貼り工程を削減した。布地と樹脂は熱可塑性樹脂を使用し、リサイクルが可能。乗用車荷室のデッキボードに多数採用されている。
 FLPライトは、さらに表裏の基材樹脂を薄肉成形し、同時に中空部にコア材を挟みこむことにより、従来のブロー工法では出来なかった軽量化(ブローFLP比40%減)と高剛性を両立させた。開発は完了している。
FLPライトS  薄肉ブロー成形技術により表裏の基材樹脂を薄肉化し、キョーラクのデッキボードとして最大の軽量化と、従来工法では出来なかった設計自由度を実現し、見た目も美しい(ただしFLPライトより低荷重用途向け)。

ダイワボウプログレスのゴムスポンジ

ダイワボウ
プログレス
ゴムスポンジ  ダイワボウプログレスが生産するゴムスポンジ(Rubber sponge)は、独立気泡(気泡同士が繋がっていない、壁で仕切られている)構造で、止水性、気密性、防音性に優れ、また加工性がよく打ち抜き等が容易。原料ゴムはEPDM(Ethylene Propylene Methylene Linkage)など。
 ゴムスポンジはシール性が高く、水を吸わない性質があり、ドア内装シール材、ランプパッキン、電子部品内パッキンなど、車部品として幅広く使用されている(ウエットスーツにも使用されている)。
EPT#143  さらに、ゴム発泡技術を進化させ、低比重かつソフト感を備え、従来品より30%軽量化したEPDM系ゴムスポンジ"EPT#143"を開発した。

 



ドイツRoechling社の軽量化、省燃費技術の紹介(スターライト工業の出展)

 スターライト工業は、ドイツRoechling社の、軽量化したアンダーボディーシールド、ブラケット付きパイプ部品を一度に成形する技術Jectbonding、および軽量化したインテークマニホールドなどの新技術と、欧州車での採用事例を紹介した。

Roechling社が開発した、ブロー成形と射出成形を一度に行うJectbonding
Roechling社の、ブロー成形と射出成形を一度に行うJectbonding

 

Roechling社が開発した軽量エアインテークマニホールド
Roechling社が開発した軽量エアインテークマニホールド

ドイツのRoechling社の、軽量化技術の紹介

メーカー 製品/技術 概要
軽量化したアンダーボディーシールド
スターライト
工業
アンダー
ボディーシールド
 スターライト工業が提携するドイツのRoechling社は、軽量かつ吸音性の高い、PPをベースとするガラス繊維強化樹脂(GMT: Glassmat-reinforced thermoplastics、商品名はSeeberlite)を使用したアンダーボディーシールドを開発した。従来品(PP/GF 30% + 防音材)より20%大型化しながら40%軽量化し、吸音性、空力特性も向上させた。
 各部分の必要特性により、硬い部分、柔らかい部分、膨らませ吸音性と剛性を高めた部分などに分けて成形し、また排気管の上部にはアルミ箔を貼り耐熱性を高めた。
 BMW 5シリーズ、Volvo S60などが採用している。BMW 5シリーズのSide under shield(床下左右のサイド部分をカバーする)の場合、Seeberlite製は1,230g、従来のPP製は1,780gで、550gの軽量化を達成している。
ブロー成形と射出成形を一度に行う技術"Jectbonding"
スターライト
工業
Jectbonding  ブラケット付きパイプ部品を一度に成形する技術。従来は、パイプをブロー成形し、ブラケットを射出成形(注)して、その後に溶着していたが密着性が悪い。パイプ部分のブロー成形とブラケットの射出成形、および溶着を同じ金型内でほぼ同時に行う技術を開発した。
 また耐熱性樹脂を使用することにより、アルミ製ダクトの代替が可能。VW Tiguanで世界初採用し、従来のアルミダクト比で、30%軽量化し25%コストダウンした。

(注)射出成形は、溶融した樹脂を金型内に射出し、冷却・固化させて取り出す方法。

エアインテークマニホールドの軽量化
スターライト
工業

材質を変更した

エアインテークマニホールド

素材を従来のガラス繊維強化ポリアミド6(PA6 + GF30)から、ガラス繊維強化ポリプロピレン(PP + GF35)に変更する提案。密度(gr/cm3)が現行品の1.35から1.18に低下し、12%軽量化、材料費・製造費込みのコストを15%低減する。吸音特性、耐薬品性も向上する。

水冷インタークーラーと一体化した

エアインテークマニホールド

 Roechling社がVWと共同開発した、TSI 1400ccエンジン(注)用エアインテークマニホールド。インタークーラー(ターボチャージャーの圧縮により温度が上がった空気を冷却する)を水冷化してエアインテークマニホールドと一体化し、吸気システムの容積を5割超削減した。それによりターボラグを大幅改善しレスポンスを向上させると同時に、コスト、部品点数、重量を各20%削減した。
 技術的には、樹脂製エアインテークマニホールドとアルミニウム製インタークーラーの接合や、吸入した空気と冷却水の流れ・温度・圧力の変化への対応などが課題であったが、Roechling社の樹脂成形とシミュレーション技術により解決した。

(注)このエンジンは、VWのTSI 1400ccツインターボエンジン(ターボチャージャー + スーパーチャージャー)を、最高出力を多少落としながらも省燃費型に変更したエンジン。ターボチャージャーのみのシングルチャージャーとし、空冷インタークーラーを水冷に変更することで吸気システムの容積を大幅削減した(空冷式は、車体の前面に置かねばならず、吸気システムの短縮はできない)。

 



精度向上や軽量化に向けた、新しい樹脂成形技術の提案

 松本油脂製薬は、体積で50~100倍に膨張し、軽量・断熱性、またその他のユニークな特性を発揮させることができる、熱膨張性マイクロカプセルを出展した。既に様々な産業分野で使われているが、車向けにも用途開発を進める。

 山下電気は、小径のヒーターを採用し、キズのように見えるウエルドラインやそりの問題を解決する「次世代金型温調技術 "YHeaT"」を出展した。

 PLAMOは、ボイド(気泡)を解決するIMP工法を紹介した。従来はボイドが存在していても問題なく使用していたが(PLAMO資料)、IMP工法により強度の高い樹脂部品成形が可能になり、金属部品の樹脂化をさらに促進するとしている。

 RP東プラは、ガスを使ってFloating core(樹脂製または金属製のボール)を移動させることにより、曲がりくねったパイプを成形する「曲管射出成形」法と、VWなど欧州車での採用例を紹介した。

PR東プラのFloating Core Molding技術を適用した、VW車のクーラント(冷却水)パイプ
RP東プラのFloating Core Molding技術を適用した、VW車のクーラント(冷却水)パイプ

精度向上や軽量化に向けた、新しい樹脂成形技術の提案

メーカー 製品/技術 概要
松本油脂
製薬
熱膨張性
マイクロカプセル
 熱膨張性マイクロカプセルは、熱可塑性(熱を加えると軟化し必要な形にしていくことができる)高分子を外殻とし、内部に液状炭化水素を封入した構造を有する。平均粒子径は5~50μm。加熱することによって体積が50~100倍に膨張し、軽量化、耐熱性などのユニークな特性を発揮する。
 膨張温度として、約80~100℃の低温領域から、約260~300℃の超高温領域で使用できる各種グレードを取り揃えている。
 従来は発泡成形が困難とされてきた各種エンプラ(PC、PBT、PA(ナイロン)など)の微細発泡が可能になった。エンプラ成形用グレードであるF-2800シリーズでは、膨張特性により、射出成形で最大30%軽量化、押出成形では最大60%の軽量化が可能。
山下電気 次世代金型
温調技術
"YHeaT"
 プラスチックを薄肉軽量化するために金型の溶融樹脂の注入口数を増やすと、溶融樹脂同士が合流する部分に線状跡(ウエルドライン)が残り、キズのように見えるという問題が生じる。温度を上げるとウエルドラインは解決するが、冷やして取り出すのに時間がかかる。
 その対策として、小径ヒーターを金型の溶融樹脂表面近くに設置し、専用冷却管も設け、成形の1サイクル内で温度を素早く上げ下げする制御システム「次世代金型温調技術」を開発した。
 樹脂の肉厚の違いから生じる"ソリ"の問題も、肉厚にあわせて各部分毎に温度調整することを可能にし解決した(肉厚が厚い部分はもともと収縮が大きいので、低温にして収縮を抑え、薄い部分は温度を上げて収縮を大きくする)。
 Lexusブランド車向けカーナビ生産に使われている。車の内外装に関しては、特に軽量化の要求が強いEVについての引き合いがあるとのこと。

(注)YHeaTは、Yamashita Heat Technologyの略。ノートパソコン用薄肉軽量ケース、携帯電池パック用ケース、カメラ鏡筒部品などの生産に量産実績がある。

PLAMO ボイドを制御する
IMP工法
 プラスチック射出成形において長年課題とされてきたボイド"void"(通常"気泡"と呼ばれる、多少のガスは含まれるが、基本的には真空状態)を解決するために開発した。ボイドは今までは黙認されていたが、強度のバラツキが発生するため、一層の軽量化や高強度化の流れのなかで対策が重要視されてきた。解決すれば、金属部品の樹脂への代替をさらに促進するとしている。
 IMP(In mold pressing、moldは金型を指す)工法では、金型を高圧で閉じた状態で射出し、その後スペーサー(金型に挟み込まれた可動部分)を金型から引き抜き、その分を再型締め(圧縮)する。肉厚製品、偏肉製品など様々な形状の製品を、ボイドなしで高精度に成形できる。金型加工費は、通常金型比概ね3割増しになる。
IMM工法  IMP工法では解決できない「ウエルドライン」や「ジェッティング(成形品の表面に生じる蛇行状の痕跡)」について、根本的な対策を行うIMM (In Mold Moving) 工法を開発中。材料流速を調整したり、材料温度や金型温度を高くするなどを行うとのこと。
RP東プラ
株式会社
曲管射出成形
RFM
 RFMは"RP TOPLA Floating Core Molding"の略で、ガスを使ってフローティングコア(樹脂製または金属製のボール)を移動させることにより、製品内部の樹脂を排出して、曲がりくねったパイプを成形する。金属製パイプに比べ60%の軽量化が可能。
 通常は、金型内で樹脂が外側から固まった段階で、高圧の空気を吹き込み、中心付近の硬化前の柔らかい樹脂を吹き飛ばして中空にする。RFMでは、ボールの経路を高精度に制御できるので、内径や肉厚の精度が高まる。
 素材は旭化成ケミカルズ製で、"ポリアミド66"を33%のガラス繊維で強化したもの。日本では、ヤマハの大型自動二輪車のクーラントパイプ(冷却水用パイプ)に使われ、鋼製で400gあった部品が165gになった。
 海外では技術供与した部品メーカーが、BMW、Audi、VW車のクーラントパイプや、Ford車のカウルグリル(ボンネットの付け根の部分)の防水パイプなどを生産し納入している。

 



設計の自由度が向上し、軽量化を促進する、Laser Sintering技術の紹介

 NTTデータエンジニアリングシステムズは、積層造形法の一つであるLaser Sintering技術を採用した製造装置EOSINT/FORMIGAを出展した。

 コイワイは、上記の装置のうち、EOSINT-Sを使用し砂型を製作している。薄肉一体鋳造し、従来品比44%軽量化したフロントサスペンションフレームを出展した。

44%軽量化したフロントサスペンションフレーム
コイワイが出展した、3D積層砂型により一体鋳造し、44%軽量化したフロントサスペンションフレーム

設計の自由度が向上する、Laser Sintering(積層造形法)

メーカー 製品/技術 概要
NTTデータ
エンジニアリング
システムズ
(マテリアライズ
ジャパン)
積層造形法  従来の工法では困難であった複雑な形状の部品を製作する方法で、いわゆる3Dプリントと呼ばれる技術。プラスチック、金属、鋳砂などの粉末材料にレーザーを照射して固まらせる工法。金型が不要で、設計の自由度が増し、軽量化、高強度化、コスト削減、納期短縮が可能になる。
 具体的には、積層造形法(Additive fabrication)のひとつであるレーザーシンタリング(Laser Sintering)を採用。3D CADなどで作成された3Dデータを、レイヤー(層)毎にスライスし、そのデータに基づきレーザーを照射することで、粉末材料が層として固まる。このプロセスを繰り返すことで、固まった層が積み重なり、立体形状を造形する。
 1点の製作に、数時間から数十時間がかかるので大量生産には向かないが、試作や、航空機向けなどのように限定された数の部品生産に使われている。
 概念と基礎技術は日本人の発明だが、ドイツのEOS社がEOSINTおよびFORMIGAと呼ぶ製造機械を開発し、NTTデータエンジニアリングシステムズが日本代理店として販売し、マテリアライズジャパンが技術を支援する。
KOIWAI EOSINT-Sを
活用
 株式会社コイワイは量産・試作鋳造部品の製造販売会社。NTTデータエンジニアリングシステムズのEOSINT-S(砂型を製作するシステム)を使用して、自動車メーカーや部品サプライヤーから試作を請け負っている。
 EOSINT-Sでは、木型や金型を用いず、3Dデータからダイレクトに砂型を製作する。複雑な形状の砂型の一体造形が可能となり、一型あたりの砂型の点数が少なくなり、組立の精度が向上し、従来法より時間とコストを大幅に節約できる。
フロント
サスペンション
フレーム
 3D積層砂型を使用し薄肉一体鋳造したフロントサスペンションフレームを出展した。従来工法では一体鋳造はできず、押し出し材を用いて、加工・溶接して製作していた。従来品比44%の軽量化を達成。
                     <自動車産業ポータル、マークラインズ>