車体構造における複合材補強

複合材が自動車ボディインホワイト（BIW）構造に一定の進出を果たしているものの、この車両領域での材料使用は長らく鉄鋼が支配し、最近ではアルミニウムも加わっています。このため、自動車メーカーは金属構造の接合に溶接とボルト・ネジなどの機械的ファスナーに大きく依存しています。一般的に堅牢ですが、溶接継手とファスナーは破損する可能性があります。また、質量を過度に増やさずに剛性を向上させたり、車両を通過する騒音・振動・ハーシュネス（NVH）や衝突エネルギーを軽減したりする効果はほとんどありません。これら課題への一つの解決策は、BIW継手とキャビティを構造用接着剤と組み合わせた複合材で補強することです。

このようなソリューションの一例が、複合材ボディソリューション（CBS）と呼ばれる材料/技術クラスです。これらは、BIWやその他車両副構造の要素、熱可塑性キャリア（連続または不連続繊維強化）、熱活性化発泡構造用接着剤を組み合わせた、一次車両構造補強用3D構造インサートを含みます。CBSエレメントは、電着防錆コーティング（Eコート）塗布前のボディショップ工程早期に車体に取り付けられます。

CBSコンポーネントは通常、2K/射出オーバーモールドプロセスで製造され、キャリア（CBSを金属BIWコンポーネントに仮接合する溶接タブやスナップフィットを組み込み）が膨張性接着剤で選択的にオーバーモールドされ、追加機能のためシーラントも追加（3Kプロセス）される場合があります。乾燥状態の未硬化接着剤（カスタムエポキシ化学ベース）は複雑形状に成形可能で、熱誘起膨張によるEコート焼付硬化前の複合材と金属表面間のギャップ維持により、金属要素へのEコート被覆を可能にします。発泡膨張によりキャリアと周辺コンポーネント間のギャップが封止され、ボックス状の「マクロ構造」で一体化し、特に高荷重・動的荷重下で機械的特性を向上させます。

車両設計初期段階で組み込まれれば、CBSモジュールは局所的および全体的なBIW剛性向上と、低質量での乗員安全性・快適性向上において、質量・コスト効率の良い選択肢となります。また、より重い全金属ソリューションと比較してコスト中立または低コストを実現します。当初は自動車のみで使用されていましたが、キャリアと接着剤材料のポートフォリオ拡大によりCBS用途も広がっています。主なハイライトは以下の通り。

性能課題へのエンジニアリング

CBS技術はL&L Products Inc.（米国ミシガン州ロミオ）によって開発・商業化されました。シーラント、音響対策、BIW性能向上補強材の自動車サプライヤーとして長い歴史を持つL&Lは、より厳格な自動車衝突要件を低コスト・低重量で満たしながら、車両製造時の加工と組立を改善し、乗員安全性向上を支援するためにこの技術を開発しました。

1995-2004年、L&LとGurit Essex（スイス・ワットヴィル）のジョイントベンチャーCORE Productsが初期応用開発とCBS製造を担当。L&Lが最終的にCOREの全資産を取得し、現在はL&L Products Europeとして運営されています。

L&Lは初期開発とCBS技術のその後の拡大で材料サプライヤーと緊密に協力。その一社、Lanxess AG（ドイツ・ケルン）は長年にわたりヨーロッパでL&Lに複合キャリア材料と材料特性評価・シミュレーションサポートを提供してきました。

CBSの適用

既述の利点に加え、CBS技術はより良い荷重経路移行、多軸荷重管理とエネルギー吸収、より高い断面安定性（崩壊・侵入耐性）、低NVH、高荷重時の運転ダイナミクスと衝突性能向上を提供します。また、車両設計/再設計時の実装タイミング短縮と、ボディショップでの組立手順変更不要という利点もあります。CBS技術はボディ構造を通じたエネルギー伝達を制御しつつ変形・侵入を最小限に抑えやすくするため、正面・側面・後方衝突やルーフクラッシュ耐性向上で乗員、客室、バッテリーをより良く保護する用途に理想的です。また、IIHS（米国高速道路安全保険協会、バージニア州アーリントン）スモールオーバーラップ衝突試験のような厳しいプロトコルをパスする必要がある構造にも有用です。

「CBS技術の設計汎用性は、複雑またはアクセス困難な領域での組立簡素化に役立ちます」とL&L Products Reinforceの構造製品エンジニアリングマネージャーNúria Ignés氏（L&L Products EMEA、フランス・アルトーフ）は説明します。「例えば、ドアやその他クロージャーにCBS技術を早期設計段階で統合すれば、軽量化と剛性向上だけでなく、ドア製造も簡素化できます。CAEツールと数十年の経験、キャリアとフォームの組み合わせ（硬化後にBIWへの堅牢な取り付けを提供）により、適切な量の適切な材料を適切な場所に使用し、剛性と質量・コスト、またはエネルギー吸収と音響・コストをバランスできます。」

「CBS技術の本当に興味深い側面はその『生物模倣』的性質です」とL&Lグローバル戦略マーケティングマネージャーPeter Cate氏は付け加えます。「骨の中心にある細胞強化ストラットが、中空構造に剛性を追加し荷重を管理する自然界で最も質量効率の良い方法であるように、接着剤が膨張するとCBSユニットは車体キャビティを同様に補強し、エンジニアが最低質量で構造剛性を最適化できるよう支援します。」

「局所的および全体的剛性を高め、荷重を構造全体により効果的に分散させることで、CBS補強は質量増加なしで局所的剛性不足と金属疲労問題に対処するテーラーメイドソリューションです」とLanxess Corp.（ペンシルベニア州ピッツバーグ）Tepex Automotiveビジネス開発マネージャーPal Swaminathan氏は続けます。「CBS技術をボディ構造に統合するとNVH改善も一般的です。繰り返し、慎重なエンジニアリング分析により、乗り心地とハンドリング特性のバランスを取る位置最適化ソリューションを開発できます。」

初期適用事例

当時のPSAグループの2006年型Citroën C4 PicassoセダンへのCBS技術初期自動車適用では、AピラーとBピラー、リアクロスメンバーを補強する9ユニットが使用されました。補強エレメントにより車両重量を12キログラム削減しながら乗員安全性を向上。黒色材料がLanxess複合材、赤がL&Lのエポキシフォーム、銀色がCBSエレメント取り付け対象の金属ボディ構造部分です。

L&Lの最初の商用自動車適用は1998年；2002年までに市場受容が進みました。良い初期例は、PSAグループ（フランス・パリ、現Stellantis N.V.、オランダ・アムステルダム）の2006年型Citroën C4 Picassoセダンに実装されました。Aピラー下部、Bピラー上下部、リアアクスル上のクロスメンバーに9つのCBSコンポーネント——金属オプション比で車両質量を12キログラム削減。一部CBSインサートは衝撃時の耐荷重向上と客室侵入最小化で乗員安全性向上、他はBIWのNVH性能向上に寄与。全キャリアは35wt%短繊維ガラス/ポリアミド6（PA6）で射出成形。類似CBSユニットはFord Motor Co.（ミシガン州ディアボーン）の2012年型Ford Transitバンにも使用されました。

新キャリア、フォームオプション

長年にわたり、L&Lとサプライヤーは新フォーム配合、より幅広いキャリア樹脂と補強材、異なる構造への概念適用でCBS技術を拡大してきました。

例えば、ほとんどのクラッシュ用途CBSキャリアは、複雑3D形状での剛性と延性のバランスが必要なため、耐熱30wt%ガラス強化PA6でエンジニアリングされています。こうしたキャリア2つが主要EVプラットフォームのフロントロングメンバーに使用され、組立簡素化（部品点数削減）だけでなく、ファイアウォールへの衝突侵入を20%削減したと報告されています。

より高い衝撃要件には、ハイブリッドキャリアが利用可能です。例えば、アルミニウムボディが主体の2019年型Porsche 911 Carrera Cabrioletスポーツカー（ポルシェAG、ドイツ・シュトゥットガルト）のAピラー補強。オープンカーのため、ロールオーバー時の乗員保護にルーフレスフレームの剛性化が不可欠。重いチューブラーロールバーをCBSインサートでAピラー内に置き換え。ピラーシェルは高張力鋼で製造され、内部のCBSインサートで安定化・剛性化。メインキャリアボディは圧縮成形オルガノシート（47vol%綾織ガラス生地/PA6）で、予熱・予成形後、リブ（30wt%短繊維ガラス/PA6/6）で射出オーバーモールド。オルガノシート側にL&LのL-5235膨張接着剤を搭載。このハイブリッド技術は全性能・重量目標を達成（チューブラースチールオプションは達成せずと報告）、車両質量を5.4キログラム削減し、組立簡素化と重心低下で運転ダイナミクスを改善しました。

オーブンプロセスが膨張接着剤活性化に利用できない用途や、塗装工程で追加サポートが必要な場合、L&Lはその他常温硬化ソリューションにも取り組んでいると述べています。

CBSベースの関連技術も複数開発されています。間もなく初商用適用を迎えるL&Lの連続複合材システム（CCS）は、ガラス・カーボンファイバー強化プルトローションキャリア（ポリウレタン（PUR）±生地、ロービング等）とカスタム配合シーラント/構造用接着剤を組み合わせます。CCSエレメントはCBSパーツと金属コンポーネントも組み込み可能で、定断面構造の剛性と強度を低質量（典型的に鋼比75%軽量、アルミ比30%軽量）で向上。耐食性、非導電/電気絶縁、低線膨張係数（CLTE）、高予測可能エネルギー管理を提供し、ユニボディ車両の構造部材やフレームオン車両のフレームセクション、EVバッテリーフレーム補強に最適です。

複合パネル補強は、成形金属パネル表面にボディショップで適用される、ガラス繊維強化と共押出しされた自己粘着膨張構造用接着剤で構成されます。このシステムは、大型/比較的無支持パネルの剛性向上（ウェイブと座屈低減）だけでなく、慣性モーメント増加によるNVH改善も実現。さらに、薄肉化による低質量・低コスト化の機会も提供。商用適用例：自動車ドア、ルーフ、フロアパネル、フード、フェンダー、リフトゲート、テールゲート；潜在用途：バッテリーケーシング。

ハニカムパネル補強は、手動塗布用ペースト形態または自動ポンプ用低粘度液体形態の軽量エポキシを特徴とし、硬化後は機械加工や研磨可能。これらは主に航空機内装の戦略的位置でのハニカムコア安定化用に設計され、過剰質量を加えずに機能します。その他用途：ボーダー強化（複合パネルエッジのシーリング/補強）、インサート接着、金属ヒンジ/インサートが複合パネルに取り付けられる箇所の局所補強。

将来展望

1999年の最初の特許以来、L&LはCBS技術で多数の発明を出願しています。この製品ファミリー内で今や幅広いキャリアと接着剤オプションが利用可能になったことを考えると、適用が自動車を超えてトラックと航空宇宙へ拡大したことも不思議ではありません。次は何でしょう？

「長年にわたり、CBS製品は機能を組み合わせた新しい用途要件に対応するよう進化してきました」とIgnés氏は付け加えます。「例えば、単なる構造補強として始まったものが、剛性向上だけでなく音響機能改善やエネルギー吸収向上にも進化しました。CBS技術が提供する極めて望ましい特性群を考慮すると、自動車用途の成長だけでなく、他産業への成長も期待されます。」