AOC、Zoltek、Astarが高性能CF-SMCを共同開発、産業用自動車部品へ

英国政府助成研究プロジェクトTUCANAの下、AOC AG（スイス・シャフハウゼン）はAstar（スペイン・ビスカヤ）と共に、Daronポリウレタンハイブリッド技術ベースの新しいシートモールディングコンパウンド（SMC）を開発しました。これにより、エポキシ樹脂CF-SMCの機械的性能と、不飽和ポリエステル樹脂（UPR）およびビニルエステル樹脂（VER）SMCの製造容易性を両立し、チョップドカーボンファイバー成形部品を産業規模で生産可能になります。このCF-SMCは、低密度、電着塗装対応、低排出ガスの構造用自動車部品開発を支援し、複合材特有の設計柔軟性を維持します。Zoltek（米国ミズーリ州セントルイス）の低コスト分割トウファイバーと組み合わせて使用されます。

「近年、カーボンファイバー基盤の新規SMC材料が商業的に利用可能になり、アルミニウムと鋼鉄の同等品を上回る超軽量構造部品を本格的な産業規模で生産するために適用されています」と、AOCシニアR&Dサイエンティストのロン・フェルレグ氏は説明します。「SMCプロセスには複数の熱硬化性樹脂系が使用可能で、それぞれ固有の長所と短所があります。」

既存樹脂系の課題をDaron技術で解決

UPRはSMC用途の主力樹脂で、優れた機械的特性、高充填負荷受け入れ（コスト低減）、金型キャビティへの良好な流動性を提供します。しかし、カーボンファイバーと組み合わせると、UPRのカーボンファイバー表面への不完全なウェッティングと低接着性により、機械的特性の低い成形品になります。

一方、VERはカーボンファイバー成形品の高機械的特性達成に主に使用されますが、SMC成形に必要なレベルまでVERを増粘するのは困難で、粘度が高すぎて微細なカーボンファイバー繊維を完全含浸できません。特に高繊維体積率が必要な場合に顕著です。

さらに、エポキシ樹脂（EPR）もSMC部品で高機械的特性達成向けに調整されてきました。しかし、大量用途でコスト競争力を持ってプロセスを運用するのは困難とAOCは述べます。EPR SMCシステムの主な欠点は、複数の時間のかかる温度ステップを必要とする困難な含浸、成熟、成形プロセスです。

これらの課題を解決するため、AOCはDaron SMC技術を開発しました。利点として、化合物の長期保存（室温で最大6ヶ月）、圧縮成形時の最適化フロー（インサートとリブを含む金型キャビティの完全充填）、引張弾性率43 GPa、引張強度300 MPa以上を実現。Daron SMCはスチレン捕捉技術を備え、最適なラジカル重合をもたらし、極めて低い揮発性有機排出（内装用途の閾値100μg/gを大きく下回る）を達成します。

「Daron樹脂の低粘度により、カーボンファイバーの微細フィラメント束を高体積率まで極めて良好に含浸できます」とフェルレグ氏。「さらに、Daron SMC技術により、硬化樹脂マトリックスとカーボンファイバーの間で理想的な物理的・化学的相互作用が生まれます。」

Zoltek分割トウファイバーでコスト課題に対応

複合材産業におけるCF-SMCのコスト障壁を排除するため、カーボンファイバーメーカーZoltekも低コスト50K分割トウカーボンファイバーを開発しました。これはSMCコンパウンディング工程で開繊可能で、スモールトウ（約3K）カーボンファイバー相当の性能を発揮します。

これら2つの技術、Zoltekの分割トウファイバー技術とAOCのDaron SMC技術は、ジャガー・ランドローバー（英国ホワイトリー）主導のTUCANAプロジェクトで開発されました。学術・産業パートナーのコンソーシアムを結集し、電動車両（EV）の性能向上に向け、より剛性が高く軽量な車両構造の提供を目指します。プロジェクトTUCANAは、コスト効率的でスケーラブルなカーボンファイバー複合材ソリューション（CF-SMC含む）を実現することでこのビジョンを実現すると期待されています。これまでCF-SMCは、機械的強度と成形性を含む全プロジェクト仕様に準拠し、Daron樹脂系ベースのSMCパネルが塗装ラインを通過しても、規定成形パラメータで処理すれば剥離が生じないことが実証されています。

「構造用内装自動車部品の製造に加え、『エンジンサブフレームやステアリングナックルなどの動的負荷部品への更なる応用可能性もあります』と、AOC戦略プロジェクトマネージャーのルーク・グローネワウド氏は結んでいます。「この材料システムは、自動車用途の将来的な大量生産シリーズにとって非常に望ましいソリューションとなります。」