リフトゲート設計に革命：改良型フィラメントワインディングの挑戦

自動車用リフトゲート（リアハッチドア）は、数十年にわたり金属からコンポジットへの移行が徐々に進んできました。金属サポート構造なしの初のオールプラスチック/コンポジットリフトゲートが商業化されたのは2013年でしたが、現在でもほとんどのリフトゲート、特により大型・重量のSUVやCUVでは、アウタースキンとインナーパネルが取り付けられるこのサポートコンポーネントを備えています。

しかし、コンポジットリフトゲートの次なる進化は、2019年にトヨタ自動車（日本、トヨタ市）のスポーツカー「スープラ」でデビューした可能性があります。フィラメントワインディングされたコンポジットフレームが金属フレームに置き換わり、従来の金属構造よりも高い剛性と強度を低重量で実現し、特にタイトなパッケージスペースでの設計自由度が向上したとされています。報道によると、フィラメントワインディングプロセスは、関心の高まりと用途の拡大に伴い、より大量生産の車両向けの速度とコスト目標を満たせるレベルまで改良されたとのことです。この設計と技術がどのように実現したかを紹介します。

三位一体の製造体制

マグナ・インターナショナル（カナダ、オンタリオ州オーロラ）は北米でティア1インテグレーターですが、ヨーロッパではマグナ・シュタイアAG & Co. KG（オーストリア、グラーツ）子会社が、追加生産能力を必要とするOEM向けに車両の設計と組み立てを行っています。

最近、マグナはトヨタとBMW AG（ドイツ、ミュンヘン）という自動車メーカー2社が関わる興味深いプログラムに参加しました。両社は2013年以来、設計と製造プロジェクトで協力してきました。最新の取り組みでは、トヨタが「スープラ」ブランドの復活を目指し、BMWと提携して車両の設計とチューニング、および姉妹車であるBMWの2シーター「Z4」を提供しました。両車はエンジン、サスペンション、ステアリングシステムを共有しています。マグナ・シュタイアがグラーツで両車を組み立てるほか、「スープラ」にシート、ボディパネル、ドアラッチ、リフトゲートを供給しました。両車には数多くの革新がありますが、コンポジット設計の革新が最も顕著なのは、「スープラ」に採用されたリフトゲートです。

ボヘミアのマンチェスター

マグナが2020年型「スープラ」に関わる数年前から、チェコ共和国リベレツの拠点では、多くの潜在的用途向けにコンポジットスペースフレーム技術を探求してきました。幸運なことに、この地域は主要な繊維産業の中心地として豊かな伝統を持ち、「ボヘミアのマンチェスター」として知られていました。リベレツチームは、高荷重を支え、全体質量を低減し、厳しい寸法公差を維持し、欧州自動車メーカーの性能と製造要求を満たす高い繰り返し精度と再現性（R&R）を持つプロセスで生産可能な技術アーキテクチャを求めていました。

「熱硬化性製品で、高い熱的・寸法安定性を持つものが必要だと結論付けました」と、マグナのグローバル製品ラインディレクター・コンポジットリフトゲート、リアド・チャヤ氏は回想します。「また、可変形状と厚さの断面を生成できるクローズド形状が必要でした。これは機械的性能、パッケージスペース、質量、コストを最適化するために必要です。年間15万個の生産が可能なプロセスで製造できることも条件でした。ブロー成形、ブレイディング、フィラメントワインディングなど多くの技術を検討しましたが、どれもニーズを完全には満たしませんでした。多くの試行の末、フィラメントワインディングが最適と判断しました。フィラメントの配向と本数を制御し、最低重量で最高弾性率を引き出せるからです。」

多くの利点がある一方で、フィラメントワインディングが従来の自動車生産には遅すぎるのではないかという懸念がありました。また、チームはワインディングプロセスの開始と終了の方法、すなわちクローズド形状フレームを作る方法が必要でした。幸い、チームにフィラメントワインディングの経験はなかったものの、リベレツの繊維製造の伝統のおかげで、地元コミュニティにはロービングとフィラメントワインディングの専門家が大勢いました。

「幸運なことに、これらの専門家たちは、伝統的なノウハウを蘇らせ、大量生産自動車のニーズに応える新しい方法で適用する情熱を持っていました」と、マグナ・エクステリアズのテクノロジーリーダー・チェコ共和国、ヨゼフ・プータ博士は付け加えます。

「従来のフィラメントワインディングは我々のニーズには遅すぎたため、我々とパートナーはそれを高速化する多くの方法を検討しました」と、マグナ・リベレツの産業化責任者、ルカーシュ・ストウハル氏は回想します。「プロセスの各ステップを高速化する方法や、全く異なるやり方を検討しました。どのようにやったかは多くは語れませんが、速度が大幅に向上し、改良プロセスが『自動車グレード』になり得ることを実現しました。」

マグナとパートナーは、エポキシ、ポリウレタン（PUR）、PUR/ビニルエステルブレンドなど多くの樹脂システムや、ガラス繊維から炭素繊維、玄武岩繊維まで様々な強化材を検討しました。最終システムはPURとガラス繊維を採用し、繊維効率、性能、コスト、生産速度の最良のバランスを提供しました。

マグナの汎用フィラメントワインディングスペースフレームは、速度に最適化された3ステップで製造されます。まず、反応射出成形（RIM）で剛性のあるセルラーPURコアを製造し、次にそのコア（マンドレルとして機能）にガラス繊維を巻き付け、さらにその巻き付け構造をPURでインフュージョンし、高圧樹脂移送成形（HP-RTM）プロセスで統合します。インフュージョン/統合中にコアが崩壊しないよう注意が払われます。プータ氏は、ロービングの種類、サイジング、樹脂の仕様決定（サプライヤーとの材料改良における緊密な協力が必要）、各層の巻き付け本数とフィラメント配向の決定に多くの作業が費やされたと説明しています。同社は、設計とコア製造からフィラメントワインディングマシンに至るまで、多数の特許を取得しており、さらなるトレードシークレットも保持しています。

「各プロセスステップと製品で複数の革新を行ってきました」とストウハル氏は説明します。「我々のフレームを分解し、使用されている形状と幾何学を見ても、なぜそうしたのか、どうやったのか不思議に思うでしょう。」

マグナ・リベレツチームはスペースフレーム技術を特定の用途向けに開発したわけではありませんでしたが、間もなくそれを活用する興味深い機会を得ることになります。

挑戦的なリフトゲート

マグナは乗用車リフトゲートの製造で長い歴史を持っています。同社は、2013年型BMW「i3」電気自動車向けに北米と欧州で初のオールオレフィンリフトゲートを製造したとされ、FCA NA LLC（米国ミシガン州オーバーンヒルズ）の2019年型ジープ「チェロキー」SUV向けに次世代オールオレフィンリフトゲートを設計・製造しました。リフトゲート生産が「スープラ」プログラムの成果物であったことを踏まえ、マグナはリベレツでの成果だけでなく、金属製リフトゲート構造をコンポジットとプラスチックに転換してきた長い歴史を活用しました。

「『スープラ』のリフトゲートには多くの即時的な課題がありました」とチャヤ氏は回想します。「第一に、パッケージスペースが非常に限られており、公差が非常に厳しく、線膨張係数を慎重に管理してリフトゲートが自由に開閉できるようにする必要がありました。第二に、このドアの形状がさらに困難でした。トヨタは軽量なリフトゲートを望んでいただけでなく、車両後部のドレープに関する非常に具体的なスタイリング要件がありました。第三に、車両の予想生産ボリュームを考えると、金属でその形状を実現するには金型コストが非常に高くなります。実際、リフトゲートフレームを単一の金属部品で製造し、トヨタの設計と性能要件を満たすことは不可能だと結論付けました。つまり、スペースフレームはコンポジット、より具体的には熱硬化性コンポジットで作らなければなりませんでした。」

アウタースキンは、攻撃的な形状に対応するため、塗装されたタルク強化TPO射出成形パネルで、インナーパネルは長繊維ガラス強化ポリプロピレン（PP）です。両者は構造用2K PUR接着剤でフレームに接合されます。チャヤ氏は、スペースフレームとリフトゲート全体を最適化し、ねじり荷重要件を満たすために多くの作業を行ったと付け加えます。初期の課題は、材料特性を正確にシミュレートし、予測値と実測値の相関を精度良く得る方法を見つけることでした。

「材料モデルで良い相関を得るのは大変な戦いでした。巻き付けの各層をシミュレートし、形状、半径、巻き付け要件自体を組み込まなければならなかったからです」と同氏。「当初は20%ズレていましたが、多くの調整と剛性向上の最良の方法を決定した後、最終予測は非常に近いものになりました。これほど大きなフレームで、寸法公差を1ミリメートルに抑えることもできました。」

多くのメリット

最終的なドーナツ形状のフレームは、全体で可変直径と壁厚を持ちますが、公称直径は50〜60ミリメートルです。コーナーの小さなブラケット、ラッチとヒンジなどのハードアタッチメント、内蔵アンテナのアース用箔を除き、フレーム全体（104 x 111センチメートル）は完全にコンポジット製です。インナートリムパネルをリフトゲート下半分に接続する「耳」ブラケットさえコンポジット製で、HP-RTMで製造されています。コンポジットフレームは同等の金属フレームより10%軽量ですが、質量の複合効果により、リフトゲート全体としては金属製比で約20〜25%の軽量化を達成しています。軽いリフトゲートは、消費者の開閉操作力を軽減し、車両組立時の作業者の取り付けを容易にし、車両使用期間中の燃費を節約し、ストウハル氏が「驚くほど堅実な音」と表現するクローズ時の音質を提供します。コンポジットシステムは、金属リフトゲートで必要だったエッジのヘミングや溶接ポイント/ジョイントといった工程も不要にしました。

チャヤ氏は、同社が別の大規模フィラメントワインディング自動車プロジェクトを進行中であることを示唆しています。また、リフトゲート以外への技術展開も視野に入れています。「ドア、デッキリッド、フード、FEM（フロントエンドモジュール）、さらには自律走行車両——ガラス繊維で巻かれたフレームで構成されるバスのようなもの——にも、このようなスペースフレームが使用できるでしょう」と同氏。「しかも隠す必要すらありません。カーボンファイバー織布を使えば、その美しい表面を露出させ、フレームを内部に隠さないことが、プレステージの証になります。」