車体補強材としての複合材料

複合材料は自動車のボディインホワイト（BIW）構造にいくらか浸透していますが、車両のこの領域で使用される材料は、長い間鋼、そして最近ではアルミニウムによって支配されてきました。このため、自動車メーカーは、金属構造を接合するために、溶接やボルトやネジなどの機械的留め具に大きく依存しています。一般的に堅牢ですが、溶接されたジョイントとファスナーは失敗する可能性があります。また、剛性を（過度に質量を増やすことなく）改善したり、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こともほとんどありません。これらの課題に対処する1つの方法は、構造用接着剤と組み合わせたコンポジットでBIWジョイントとキャビティを補強することです。

このようなソリューションの例は、複合ボディソリューション（CBS）と呼ばれる材料/テクノロジーのクラスです。これらには、BIWまたは他の車両下部構造の要素を組み合わせた主要な車両構造を補強するための3D構造インサート、熱可塑性キャリア（連続または不連続繊維補強付き）、および熱活性化発泡構造接着剤が含まれます。 CBSエレメントは、電気泳動防錆コーティング（Eコート）を適用する前に、車両製造の初期にボディショップ部分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ます。このプロセスでは、溶接タブまたはスナップフィットを組み込んでCBSを金属BIWコンポーネントに一時的に結合するキャリアが、拡張可能な接着剤と場合によっては追加のシーラントで選択的にオーバーモールドされます（3Kプロセス）。追加機能のため。乾いた手触りの未硬化接着剤（カスタムエポキシ化学に基づく）は複雑な形状に成形できますが、ポスト中の熱による膨張の前に複合材料と金属表面の間にギャップを維持することにより、金属要素のEコート被覆を可能にします-Eコートオーブン硬化。フォームが膨張すると、キャリアと周囲のコンポーネントの間に隙間ができ、ボックスのような「マクロ構造」でそれらが一緒にロックされ、特に高い動的負荷の下で機械的特性が向上します。

CBSモジュールは、車両設計の初期段階で組み込まれると、ローカルおよびグローバルのBIW剛性を高め、より低い質量で乗客の安全性と快適性を向上させるための、質量効率とコスト効率の高いオプションです。また、より重いオールメタリックソリューションと比較して、ニュートラルまたは低コストを実現します。当初は自動車で使用されていましたが、キャリアと接着剤のポートフォリオが拡大し、CBSの用途が広がり、そのハイライトは次のとおりです。

パフォーマンスの課題に対応するように設計

CBSテクノロジーは、L＆L Products Inc.（Romeo、Mich。、U.S。）によって開発および商品化されました。 L＆Lは、BIWの性能を向上させるためのシーラント、音響対策、補強材の自動車サプライヤーとしての長い歴史を持ち、お客様が乗客の安全性を高め、より厳しい自動車事故の要件をより低いコストと重量で満たすと同時に、車両製造時の処理と組み立てを改善する技術を開発しました。 。

1995年から2004年の間、L＆LとGurit Essex（スイス、ヴァットヴィル）の合弁事業であるCORE Productsは、初期のアプリケーション開発とCBS製造を担当していました。 L＆Lは最終的にCOREのすべての資産を取得し、現在はL＆L ProductsEuropeとして運営されています。

L＆Lは、CBSテクノロジーの初期開発とその後の拡張において、材料サプライヤーと緊密に協力しました。そのような会社の1つであるランクセスAG（ドイツ、ケルン）は、ヨーロッパのL＆Lに複合キャリア材料と材料の特性評価およびシミュレーションのサポートを長い間提供してきました。

アプリケーションのCBS

すでに述べた利点に加えて、CBSテクノロジーは、より優れた負荷経路遷移、多軸負荷管理、およびエネルギー吸収を提供します。より優れたセクションの安定性（崩壊または侵入に対する耐性）;より低いNVH;より高い負荷での強化されたドライビングダイナミクスとクラッシュパフォーマンス。さらに、車両の設計/再設計中の実装タイミングが速くなり、ボディショップでの組み立て順序の変更が不要です。 CBSテクノロジーは、変形や侵入を最小限に抑えながら、ボディ構造を介したエネルギー伝達を簡単に制御できるため、正面、側面、背面の衝突や屋根の衝突に耐えて、乗員、客室、バッテリーをより適切に保護するように設計されたアプリケーションに最適です。また、米国道路安全保険協会（IIHS、バージニア州アーリントン）の小さなオーバーラップ衝突試験などの困難なプロトコルに合格する必要がある構造物にも役立ちます。

CBSを注目に値するのは、それが最初のモジュール式の混合材料アプローチの1つであり、設置が簡単で、Eコートの熱的および化学的安定性を提供し、車両アセンブリの順序を変更しなかったが、低質量およびニュートラルでのパフォーマンスが向上したことです。低コスト—自動車業界の聖杯。

「CBSテクノロジーの設計の多様性は、複雑またはアクセスが困難な条件のある領域での組み立てを簡素化するのに役立ちます」と、L＆L Products EMEA（Altorf、フランス）のL＆L ProductsReinforceの構造製品エンジニアリングマネージャーであるNúriaIgnésは説明します。 「たとえば、ドアやその他のクロージャーにCBSテクノロジーを使用すると、重量が減り、剛性が高まるだけでなく、設計プロセスの早い段階で統合すれば、ドアの製造を簡素化できます。 CAEツールと数十年の経験に加えて、硬化後のBIWへの堅牢なアタッチメントを提供するキャリアとフォームの組み合わせのおかげで、適切な場所で適切な量の適切な材料を使用して、剛性と質量およびコストのバランスをとることができます。音響とコストによるエネルギー吸収。」

「CBSテクノロジーの本当に興味深い側面は、その「バイオミメティック」な性質です」と、L＆Lのグローバル戦略マーケティングマネージャーであるPeterCateは付け加えます。 「骨の中心にある細胞補強支柱が、中空構造の剛性を高めて荷重を管理するための自然界で最も質量効率の高い方法であるように、接着剤が膨張すると、CBSユニットは同じ方法で車体の空洞を補強し、エンジニアが構造を最適化するのに役立ちます最小質量での剛性。」

LanxessCorpのTepexAutomotiveの事業開発マネージャーであるPalSwaminathanは、次のように述べています。 。（ピッツバーグ、ペンシルバニア州、米国）。 「CBSテクノロジーが体の構造に統合されている場合、NVHの改善も一般的です。繰り返しになりますが、注意深いエンジニアリング分析により、開発と位置最適化ソリューションで乗り心地とハンドリング特性のバランスをとることができます。」

初期のアプリケーション

当時のPSAグループの2006年シトロエン C4ピカソでのCBSテクノロジーの初期の自動車アプリケーション セダンは、AピラーとBピラー、およびリアクロスメンバーを補強するために9つのユニットを使用しました。補強要素は、乗員の安全性を向上させながら、車両の重量を12キログラム削減します。黒の素材はランクセスの複合材、赤はL＆Lのエポキシフォーム、銀はCBS要素が取り付けられている金属製のボディ構造の一部です。

L＆LのCBSの最初の商用自動車アプリケーションは1998年でした。 2002年までに、この技術は市場で受け入れられるようになりました。良い初期の例は、2006年のCitroën C4 Picasso に実装されました。 PSAグループのセダン（フランス、パリ–現在はオランダのアムステルダムにあるStellantis N.V.）。 9つのCBSコンポーネント（Aピラーの下部、Bピラーの下部と上部、およびリアアクスルの上のクロスメンバー）は、金属製のオプションと比較して、車両の質量を12キログラム削減しました。一部のCBSインサートは、耐荷重能力を選択的に向上させ、衝撃時の客室への侵入を最小限に抑えて、乗員の安全性を向上させます。その他は、BIWのNVHパフォーマンスを改善しました。すべてのキャリアは、35 wt-％の短ガラス/ポリアミド6（PA6）から射出成形されました。同様のCBSユニットが2012年のフォードトランジットで使用されました Ford Motor Co.（Dearborn、Mich。、U.S。）のバン。

新しいキャリア、フォームオプション

長年にわたり、L＆Lとそのサプライヤーは、新しいフォーム配合、幅広いキャリア樹脂と補強材、およびこの概念をさまざまな構造に適用することにより、CBSテクノロジーを拡張してきました。

たとえば、クラッシュアプ​​リケーション用のほとんどのCBSキャリアは、複雑な3D形状内で剛性と延性のバランスが必要なため、熱安定化された30 wt-％ガラス強化PA6を使用して設計されています。このような2隻の空母は、主要な電気自動車（EV）プラットフォームの前面縦材に使用され、組み立てが簡素化された（部品点数が減った）だけでなく、ファイアウォールへの衝突侵入が20％減少したと報告されています。

より高い衝撃要件のために、ハイブリッドキャリアが利用可能になりました。たとえば、主にアルミニウムボディの2019ポルシェ 911カレラカブリオレのAピラーを補強するものです。 ポルシェAG（シュトゥットガルト、ドイツ）のスポーツカー。コンバーチブルであるため、ロールオーバーの場合に乗客を保護するために、ルーフレスフレームを補強することが重要でした。車両を軽量で軽快に保つために、ポルシェは重い管状鋼のロールバーをAピラーのCBSインサートに置き換えました。ピラーシェルは高張力鋼で製造され、各ピラー内のCBSインサートによって安定化および補強されました。キャリア本体は圧縮成形された有機シート（47 vol-％綾織りガラス布/ PA6）で、予熱、予備成形された後、リブ（30 wt-％ショートガラス/ PA6 / 6）で射出オーバーモールドされました。オルガノシート側には、L＆LのL-5235エキスパンド接着剤が付いています。このハイブリッド技術は、すべての性能と重量の目標を達成しただけでなく（管状鋼のオプションでは達成できなかったと報告されています）、車両の質量を5.4キログラム削減し、組み立てを容易にし、車両の重心を減らし、ドライビングダイナミクスを改善しました。

膨張する接着剤を活性化するためのオーブンプロセスが利用できないアプリケーション、またはペイントショップで追加のサポートが必要なアプリケーションの場合、L＆Lは他の環境硬化ソリューションに取り組んでいると述べています。

CBSに基づくいくつかの関連技術も開発されています。間もなく最初の商用アプリケーションが登場するL＆Lの連続複合システム（CCS）は、ガラス繊維または炭素繊維で強化された引抜成形キャリア（ポリウレタン（PUR）など）を組み合わせたものです 布地およびロービングの有無にかかわらず—カスタム配合のシーラントまたは構造用接着剤を使用。 CBS部品や金属部品を組み込むこともできるCCSエレメントは、より低い質量（通常、鋼より75％少なく、アルミニウムより30％少ない）で一定断面構造の剛性と強度を向上させます。それらは耐食性、非導電性/電気絶縁性であり、低線熱膨張係数（CLTE）を提供し、予測可能なエネルギー管理を提供するため、ユニボディ車両またはボディオンフレーム車両のフレームセクションの構造部材を補強するのに理想的です。プラスEV用バッテリーフレーム。

複合パネル補強材は、ボディショップで形成された金属パネル表面に適用されるガラス繊維補強材と共押出しされた自己接着性の膨張性構造用接着剤で構成されています。このシステムは、大きな/比較的サポートされていないパネルの剛性を向上させる（うねりと座屈を低減する）だけでなく、慣性モーメントの増加によりNVHも向上させます。さらに、パネルをダウンゲージして質量とコストを削減する機会を提供します。商用アプリケーションには、自動車のドア、ルーフおよびフロアパネル、フード、フェンダー、リフトゲート、テールゲートが含まれます。潜在的なアプリケーションには、バッテリーケーシングが含まれます。

ハニカムパネルの補強材は、手動塗布用のペースト状または自動ポンピング用の低粘度液体の軽量エポキシを特徴としており、硬化すると機械加工または研磨することができます。これらは、主に航空機内部の戦略的な場所で、余分な質量を追加することなく、ハニカムコアを安定させるように設計されています。その他の用途には、境界の強化（複合パネルのエッジのシーリング/補強）、インサートボンディング、および金属ヒンジ/インサートが複合パネルに取り付けられている局所的な補強が含まれます。

未来はどうなるか

1999年の最初の特許以来、L＆LはCBS技術に関する多数の発明を出願してきました。この製品ファミリ内で現在利用可能な幅広いキャリアと接着剤のオプションを考えると、アプリケーションが自動車だけでなくトラックや航空宇宙にも拡大していることは驚くべきことではありません。次は？

「何年にもわたって、CBS製品は、機能を組み合わせた新しいアプリケーション要件に対応するように進化してきました」とIgnés氏は付け加えます。 「たとえば、構造補強として始まったものは、補強するだけでなく、音響機能を改善したり、エネルギー吸収を高めたりするために進化しました。 CBSテクノロジーが提供する一連の非常に望ましいプロパティを考えると、自動車の使用が増えるだけでなく、他の業界でも成長すると予想されます。」