画期的なコンポジットブレーキペダル：ボゲ・ラバー&プラスチックスで軽量・高強度・低コスト量産を実現

ティア1サプライヤーのボゲ・ラバー&プラスチックスグループ（ドイツ、ダンメ）は、世界で最も軽量で、最も低コスト、最も強靭なオールコンポジットブレーキペダルを製造しており、商業生産されている最初の製品であるとしています。1月のFOD（詳細は「熱可塑性コンポジット構造が安全重要ブレーキペダルで金属を置き換える」参照）で詳述されているように、同社は現在、ドイツ自動車メーカーの4車種プラットフォーム向けに年間25万個のブレーキペダルを生産しており、システムは年間最大100万個まで生産可能です。これは重要な意義を持ちます。ペダルは構造部品であり、現行の鋼やアルミニウムと同等の厳格な性能要件を満たす必要があり、設計には3種類のガラス強化熱可塑性コンポジットが採用されています。

3材料で繊維効率を最大化

ペダルを軽量、薄肉、コスト効率良く、厳しいOEM仕様を満たせるようにするため、ボゲは主要荷重（最大3,000ニュートン）を担うシェル構造として連続ガラス繊維オルガノシートを使用します。オルガノシートブランクは、ランケス・ドイチュラントGmbH（ドイツ、ケルン）により2〜3層が完全に統合され、所定サイズにプレカットされて供給されます。オルガノシートブランクの主要負荷経路を補強するため、ボゲは有限要素シミュレーション結果に基づき、配向と積層を決定した単方向（UD）ガラス繊維テープストリップ（セラニーズ社供給、米国テキサス州アービング）を追加します。このため、ボゲは自社で改良したソフトウェアと、OEM顧客指定の温度・湿度条件下で測定した各材料の応力/ひずみ曲線に基づきサプライヤーと開発したマテリアルカードを使用します。機能形状を付与するため、ボゲは刻みガラス繊維コンパウンド（複数サプライヤー）をオーバーモールドし、構造リブと取り付けフィーチャーを形成します。

すべての材料は、自動車業界で広く使用される強靭なポリマーであるプレカラードブラックのポリアミド6（PA6）をマトリックスとしています。OEM仕様で要求される場合、オーバーモールドコンパウンドに耐温度性が高く吸湿性の低いPA6/6マトリックスを使用するオプションもあり、両ポリマーは十分に類似しているため相互に接着可能です。ガラス強化で3種類の異なる形態のコンポジットを使用することで、ボゲは性能要件を満たすために必要な箇所に繊維を正確に配置し、過剰設計を回避できます。このハイブリッドコンポジットアプローチの派生効果として、材料使用量、公称壁厚、サイクルタイム、全体部品コストが削減されます。

プロセスステップと装置基準

自動化/組立ライン開発企業M.A.i. GmbH & Co. KG（ドイツ、クロナハ）と提携し、ボゲは高速、効率的、品質検証済み部品を手頃なコストで生産する3ステップ生産プロセスを開発しました。プロセスと装置の設計にはいくつかの要件がありました。第一に、部品コストを低く抑えるため、総実効サイクルタイムを約1分に維持する必要がありました。これを達成するには、材料が製造セルをスムーズに移動できるよう自動化が不可欠でした。

第二に、オルガノシートブランクはプレスタック、完全統合、プレカット（輪郭カット）済みで供給されますが、様々なペダル設計の要件により、異なる長さのテープストリップを異なる位置と方向に配置し、オルガノシートシェルの主要負荷経路を補強する柔軟性が必要でした。ここでもコストを抑えるため、高い柔軟性と制御性、速度を提供する特注テープ積層プロセスが設計されました。

プロセス開始時、製造セルにはプレカットオルガノシートブランク2スタックがカセットに、UDテープ4クリールが保持されます。まず、ロボットが輪郭カットされたオルガノシートブランクをピックアップし、作業面に移動させます。同時に、UDテープが繰り出され、必要な長さに切断されます。ストリップは真空ベルトに配置され、コンベアの前進に合わせて位置保持されます。次に、回転ピックアンドプレースユニット（エンドエフェクタ）を持つロボットが真空ベルトからストリップを1本ずつピックアップし、カメラが各ストリップの品質、寸法、位置をチェックします。4本すべてがピックアップされると、ロボットはワークスペースに移動し、画像ベースの位置補正で決定された位置と向きでオルガノシートブランク上にストリップを1本ずつ配置します。各ストリップ配置時に、レーザーによる複数のスポット溶接でズレを防止します。一方、さらにテープストリップが切断・真空ベルトに配置され、所定のブレーキペダル設計に必要なすべてのテープがオルガノシート上に正しい位置でスタック・タックされるまでプロセスが繰り返されます。

このテーラードファイバーブランクを生成するシステムは100%数値制御され、操作のあらゆる側面が最大の柔軟性のために完全にプログラム可能です。各ステップで、カメラやその他のセンサーがシステムのオンライン品質管理（QC）システムに接続され、テープストリップとオルガノシートシェルのすべてのエッジと位置を検出し、これらの材料の幾何学データを既知のパラメータと比較して、各材料が必要な位置に配置されていることを保証します。

生産速度を高く保つため、テーラードファイバーブランクは次に赤外線オーブンに移動し、ドレーピング/プリフォーミング/テープ統合の直前に両材料を加熱します。テープとオルガノシートの樹脂システムに含まれる特殊酸化防止パッケージが熱ダメージを防ぎます。次に、高温のブランクをドレーピング/プリフォーミングキャビティに素早く移動し、高圧でU字チャンネル形状に成形しながら高品質表面を確保します。QCシステムが時間、温度、圧力で統合とプリフォーミング品質を再び監視します。

最後に、まだ温かいドレープドプリフォームが射出金型にシャトルされ、短繊維ガラス/PAコンパウンドでオーバーモールドされ、下部の複雑なリブ構造などの追加形状が形成されます。脱型後、迅速な自動トリミングと目視検査が行われます。塗装やその他の表面仕上げは不要です。最終ペダルサイズは約350 x 90 x 60ミリメートル。製造セルを出る前に、各ペダルに固有のQRコードが貼付され、そのペダルの製造・材料データが品質システムでリンクされます。組立後、ブラケット内でのペダル機能試験と最終ロボット検査が実施されます。合格すれば、完成ブレーキペダルアセンブリに別のQRコードが貼付され、出荷前の各ペダルと追加部品の完全なトレーサビリティが提供されます。

ブレーキペダルは安全重要部品であり、要求の厳しいOEM性能と品質要件を満たさなければならないため、ボゲとパートナーはインダストリー4.0準拠のQCシステムに複数のフェイルセーフ機構を組み込み、各ステップで仕様が満たされたことを迅速かつ正確に検証しています。QCデータは保存され、各ペダルはQRコードの形で固有の識別番号を受け取り、その部品の製造に関わったすべての材料、シフト、プロセス条件の100%トレーサビリティを保証します。

ボゲが製造するオールコンポジットブレーキペダルは、金属製の約半分の重量です。また、消費者のドライビング触覚を向上させ、ライフサイクル終了時に100%リサイクル可能で、現行鋼鉄の強度要件を満たすか上回ります。