熱可塑性複合材料：風光明媚なビュー

LesChâtelliers-ChateaumurのWebastoSCが率いるフランスのチームは、従来のアルミニウムレールの代わりに熱可塑性複合ガイドレールを初めて使用する、新しい固定ガラスのローラーブラインドサンルーフモジュールを開発しました。 Groupe Renault（Boulogne-Billancourt）が製造した複数の多目的車（MPV）で最初に商品化されたこの変更により、重量、コスト、工具が節約され、ハードウェアと複数の処理ステップが不要になり、組立ラインの設置が簡素化され、操作ノイズが軽減され、13が解放されます。車両の乗員とサンルーフのガラスパネルの間にmmの追加のヘッドルーム。

ヨーロッパでは一般的ですが、北米では一般的ではありませんが、ローラーブラインドサンルーフモジュールは通常、固定ガラスルーフシステムをカバーするために使用されます。多くの場合、車両のルーフラインのほぼ全幅と長さにまたがる大きなパノラマルーフです。展開すると、北米の車両で剛性のある日よけとほぼ同じ機能を果たし、過剰な日光を遮断し、雨や風による騒音を減衰させます。それらは、電動トラックに沿って展開および展開する薄いが遮光性のファブリックで構成されており、車内のルーフ後部にあるヘッドライナーの下に収容されているスピンドルの周りに再び巻き上げられます。

従来のサンルーフアセンブリ

自動車業界はこれまで、サンルーフのローラーブラインドモジュールをボディインホワイト（BIW）の屋根構造に接続するためにアルミニウムレールを使用してきました。特に、大型で透明な固定ガラスのサンルーフシステムの場合は、通常、ほぼ全長に及びます。と車の屋根の幅。ルーフの運転席側と助手席側に沿って取り付けられたこれらのガイドレールは、ローラーブラインドサンルーフシステムで二重の役割を果たします。これは、シェードが巻き上げられてより多くの光が入るときに電動ファブリックローラーブラインドが移動するスライド面を形成するためです。車内、またはその光を減らすために展開されたとき。北米で一般的な剛性のある日よけとは異なり、ローラーブラインドの日よけは、車の乗員が見ることができないヘッドライナーの下のスペースをほとんど占有しませんが、それでも太陽からの断熱と風雨からの遮音を提供します。堅い日よけはそうします。

アルミニウムレールの従来の製造プロセスは、一定の断面積のアルミニウムプロファイルから始まり、レールの複雑な形状を実現するには、労働集約的な多段階のミルアンドフィニッシュプロセスが必要です。

• 長さにカット
• スタンピングとパンチングによって小さな折り目を形成する
• 曲線の形成
• スタンピングツールでは実行できない複雑な形状の機械加工/フライス盤（各ステップの後に1つのツールセット/操作と1つの品質管理チェックが必要）
• 黒または自然色の陽極酸化レール
• 電気ケーブルクリップ、スパイラルケーブルクリップ、センタリング/ポジショニングピンおよびナットの組み立て。

すべての乗用車のメーカーとモデルはわずかに異なる形状と長さのレールを使用しているため、サンルーフメーカーは、特定のサンルーフモジュールの生産実行中に大量の在庫を生産および在庫する必要があります。また、新しいモデルが追加されると、車両が既存のモデルのサンルーフシステムのモジュールと共通の部品を共有しない限り、まったく新しい工具が必要になります。

アルミ製ガイドレールは、サンルーフメーカーでの生産だけでなく、車両組立工場での設置にも手間がかかります。従来、レールはネジでBIWに手動で固定されていました。次に、サンルーフモジュールをフロントガラスベイに通し、ルーフの開口部にボトムロードして、オペレーターが最近取り付けたレールに固定します。最後に、ガラスルーフ自体が構造用接着剤を介して車の上部に接着され、サンルーフモジュールとキャビン内部を密閉します。

アルミニウムレールは既知の確立された技術を表していますが、欠点があります。一つには、アルミニウムは高価な原材料であり、複雑な形状に曲げるのは鋼よりも困難です。もう1つは、環境を保護するために、腐食を防ぐために使用される陽極酸化剤の廃棄は、かなりの追加コストです。上で詳述したように、製造プロセスは長く複雑であり、その工具費は高い。また、機能を向上させるためには、追加の組み立て手順で適用される追加のハードウェアを使用する必要があります。

新しいレールのコンセプト

はるかに小さいフォーマットの移動ガラスサンルーフシステムでのアルミニウムから複合材へのサンルーフフレームの他の成功した変換に基づいて、Webastoのチームは、ローラーブラインドサンルーフシステムのはるかに大きなサイドレールも可能かどうかを確認するための調査を実施することを決定しましたコンポジットに変換されます。 （このようなシステムでは、フロントとリアのクロスビームはすでに複合材（通常はガラス強化ポリプロピレン（GR-PP））に変換されています。）目標は、機能を追加し、製造ステップ、部品数、コスト、部品重量を削減することでした。引き続きOEMのパフォーマンス要件を満たしています。

チームは、ガイドレールの機能と動作条件を調査することから始め、レールの最も重要な機能を、トラックの経路に沿って前後および左から右に同じ力で電動サンシェードのスムーズな動きを促進する能力として特定しました。 。これを実現するには、レールの全長に沿って正確な形状と一定の断面積が必要です。これは1メートルを超える場合があります。さらに、レールは、フロントおよびリアサンルーフクロスビームとルーフ構造自体、モーターメカニズム、ルーフガラス、ヘッドライナーなど、他のサンルーフ/モジュールコンポーネントへの安全な接続を提供するために十分な構造である必要があります。 OEMの要件を満たすには、電動サンシェードを低いスライドノイズレベルで動作させて、キャビン内部の騒音/振動/ハーシュネス（NVH）を低減する必要があります。

一般的に使用される自動車用複合材料のスキャンにより、熱硬化性マトリックスと熱可塑性樹脂を使用した複合材料がすぐに排除されました。熱可塑性複合材料と比較して、熱硬化性樹脂で濡れたものは密度が高く、成形サイクルが遅く、成形後の仕上げが必要になる傾向があります。さらに、再溶解可能な熱可塑性プラスチックは、上部レールと下部レールの間に接着剤や留め具のない組み立てオプションを提供し、使用済みのリサイクルを大幅に簡素化します。さらに、熱硬化性樹脂は、欧州連合の車内で厳しく規制されている、曇りや揮発性有機化合物（VOC）の排出の可能性について懸念を示しました。

特にサンシェードのスムーズな動作を妨げる反りを回避するために、非常に厳密な寸法制御を求めるOEM要件により、ポリアミド、ポリプロピレン（PP）、および熱可塑性ポリエステルが排除されました。アルミニウムレールはスムーズなサンシェード操作のためにグリースを必要とし、Webastoのエンジニアは複合レールに潤滑剤が必要かどうかまだわからなかったため、耐薬品性が低く、応力亀裂が発生しやすいため、ポリカーボネートを排除しました。アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）は、サンルーフの110°Cの熱要件のために拒否されました。

Webastoチームは、以前はガラス繊維強化スチレンマレイン酸無水物/ ABS（GR-SMA / ABS）を可動ガラスサンルーフフレームに使用していたため、自動車業界で何十年にもわたってインストルメントパネルに使用されてきたこの材料に注目しました。基板。 GR-SMA / ABSは、密度が低く、剛性が高く、強度があり、反りが非常に少なく、広範囲の温度と湿度レベルで変形が少ないです。アモルファスであるため、成形後の結晶化や収縮の心配はありません。さらに、溶融再処理可能で、溶接が良好で、無水マレイン酸成分により、ガラス屋根をサンルーフモジュールに結合するために使用されるポリウレタン構造用接着剤など、さまざまな基板への高い接着強度が保証されます。

Webastoは、GR-SMA / ABS樹脂サプライヤーであるPolyscopePolymers BV（オランダ、ヘレーン）に依頼して、機能するグレードを提案しました。 Polyscopeは、15％-GR XIRAN SGH30EBと30％-GR XIRAN SGH60EBの2つの可能性を提供し、その後Webastoで小規模なラボテストを受けました。 30％-GRグレードはより剛性がありましたが、日焼け止めのスムーズな操作を保証するために、より高いE弾性率は必要ありませんでした。テストでは、15％-GRグレードが機械的特性の目標を満たしていることが示されたため、チームは、左側と右側のレールだけでなく、フロントクロスビームにもその材料を使用することを選択しました。リアクロスビームはGR-PPのままでした。

次の決定は、レールを製造するためにどのプロセスを使用するかでした。当初、プロファイルの押し出しは、中空と中実の両方の形状を生成でき、機能的にはアルミニウムプロファイルの生成に使用されるプロセスに似ているために検討されました。また、連続プロセスであり、生産要件を満たすのに十分な速さですが、工具費は比較的低くなっています。残念ながら、研究者は、押し出しによって繊維強化樹脂から十分に滑らかな内面が生成されないため、サンシェードがトラックに沿ってスムーズかつ静かに移動できることを懸念していました。また、このプロセスでは、後処理ステップでハードウェア（追加のピンやクリップなど）を追加せずに、レールの長さ全体でプロファイルジオメトリを変更して、より機能的な統合を組み込む機能が制限されます。

検討された他のプロセスは射出成形でした。これは、滑らかな仕上げと高い美観を備えた非常に複雑な3D構造を、迅速、正確に、優れた再現性と再現性（R＆R）で生成できます。さらに、穴、切り欠き、スナップフィット、さらにはクリップを成形できるため、二次仕上げが少なくなります。

ターゲットアプリケーションの欠点は、射出成形では1つのステップで中空構造を作成できないことです（各レールを2つに成形してから結合する必要があります）。また、工具のコストが高くなる可能性があります。

チームは、金型のコストを削減するために、ファミリーツールに複数の部品を組み込むことを目標に、射出成形を決定しました。

コンセプトの証明

基本的なコンセプトは有望に見え、開発チームはOEM Groupe Renaultと成形業者ARRK-Shapers（LaSéguinière、フランス）を含むように拡大しました。目標は、2016年モデルのRenault Scenic（5人乗り）およびGrand Scenic（7人乗り）多目的車（MPV）で、固定ガラスローラーブラインドサンルーフモジュール用の複合レールシステムを設計することでした。チームは、各レールを高レベルの機能統合を含むように設計し、左側と右側のレール間に鏡像対称性を持たせ、標準（セダン/サルーン/ 5人乗り）とロング（ワゴン/エステート）の両方に対応するように設計することを決定しました車/ 7人乗り）車種。チームの設計の側面は現在、3つの特許でカバーされています。

金型のコストを管理しやすくするために、チームは金型設計を最適化して、左右両方のレールの上部と下部、フロントクロスビーム、およびリアGR-PPクロスビームに接続する3つのボンディングインターフェイスを許可しました（別々に成形）各サイクルで生産されます。もう1つのコスト削減のステップは、ARRK-Shapersが、高価なツーリングスライドではなく、モジュラーブロック（長いレールバージョンと短いレールバージョンの両方を実行するために挿入/削除）を使用することでした。大規模なファミリーツールで8つのGR-SMA / ABSコンポーネントすべてを成形するには、1,500kNの型締力を備えた射出プレスが必要でした。上部レールと下部レールを結合するために超音波溶接が選択され、特別な組み立てジグが設計および構築されました。

プロトタイプ作成とテストの段階で、チームはレールの設計を完成させ、生産上の課題を予測し、部品がルノーの検証テストに合格することを保証しました。これには次のものが含まれます。

• 10,000ライフサイクルの耐久性テスト。
• 相対湿度（RH）95％、-20°C〜110°Cの温度範囲での3軸振動試験。
• 95％RHから110°Cで85°Cから-20°Cから50°Cまでの温度サイクル。
• 接着後の剥離強度とせん断強度。
• NVHのルノードライビングノイズテスト。
• Rolloverの「コルク栓抜き」テスト。
• 各テスト後に、23°Cで少なくとも75 mm /秒のローラーブラインド動作速度が達成されました。

「押し出し成形されたアルミニウムガイドレールをサンルーフローラーブラインドでプラスチックソリューションに変換するというアイデアは、Webastoのアイデアであり、長い間特許を取得しています」と、Webasto R＆Dの設計からコストまでの産業専門家であるJacquesVivienは説明します。 「しかし、最近まで、この機能の厳しい要件を達成したエンジニアリングプラスチックはありませんでした。」彼は、プラスチック候補が寸法精度の要件を満たさなければならなかったことを私たちに思い出させます。経時的な安定性、温度と湿度の変化に対する耐性。剛性とスライド能力を保持します。優れた接着性を示します。そしてそれをすべて行い、コスト競争力を維持します。 「PolyscopeのXIRANSGH30EBが選択されたことに非常に満足しており、関係者全員がプロジェクトを完全に成功させました。」

期待を超える

2年以上の製造と販売により、複合ガイドレールは予測どおりに機能しており、ティア、OEM、および顧客レベルで多くのメリットが見られます。たとえば、ARRK-Shapersの巧妙なツールにより、プログラムのコストが大幅に削減されました。 Webastoは、従来のアルミニウムアセンブリよりも機能が大幅に統合された設計を使用し、射出成形を選択して複雑な構造を1回のショットで作成することで、ハードウェアと成形後の仕上げを排除し、コストも削減しました。鉄道の生産だけでも7段階から2段階に削減されました。

ルノーの組立工場では、ローラーブラインドを含む新しいサンルーフシステムが完全に組み立てられ、屋根にロボットで接着されたワンピースユニットとして事前テストされているため、2〜3回の組立手順が不要になり、オペレーターの再割り当てが可能になり、コストが削減されます。そしてさらに時間を。伝えられるところによると、初期のシステムコスト削減は約20％でしたが、新しいモジュールの部品数は少なく、ルノーで見られる100万分の1（PPM）の欠陥の減少と品質の向上によって示されるように、長期的な保証コストの削減が見込まれます。新しい複合レールのもう1つの利点は、レールが従来の2〜3ステップのプロセスではなく、モジュール全体がBIWに直接接着結合されるため、13mmを超えるZ軸要素スタックの削減が達成されたことです。ネジでBIWに固定され、モジュールがレールに固定されます。これは、作業者の組立ラインでより多くの作業スペースを提供するだけでなく、背の高い車両の乗員により多くのヘッドスペースを提供します。もう1つの微妙な改善点は、サンシェード操作中にNVHが減少し、両方のモデルの車両の大きな昼光開口部を開閉することでした。アルミニウムと同様に、複合レールは完全にリサイクル可能ですが、最初にそれらを製造し、車両寿命の終わりにそれらをリサイクルするために必要なエネルギーが少なくて済みます。 （興味深いことに、チームは、信頼性の高いサンシェード操作のために複合レールに潤滑剤が不要であることも発見しました。）

「WebastoFranceのJacquesVivienが、サンルーフローラーブラインドモジュールでアルミニウムガイドレールをSMAコンポジットに交換することを検討していると最初に言ったとき、それは少し難しいかもしれないと思いましたが、チャンスをつかむ価値があります」とHenri-は述べています。 Polyscopeの販売および事業開発マネージャーであるPaulBenichou氏。 「この革新的なアプリケーションは、技術的および産業的な成功を収め、サプライヤー、ルノー、およびルノーの顧客に多くのメリットをもたらしました。」