ブレーキペダルに革命：熱可塑性コンポジットが金属を置き換え、比類なき安全性と性能を実現

自動車業界は1990年代にアクセルペダルを金属から射出成形短繊維ガラス熱可塑性材料に転換しました。しかし、ブレーキペダルは安全重要コンポーネントであり、厳しい剛性、強度、ねじり荷重要件を持つため、転換には 훨씬 より長い時間を要しました。ティア1自動車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、ブレーキペダルを熱可塑性コンポジットで要求の厳しいOEM性能とコスト目標を満たす最初のサプライヤーになったとしています。独自設計、3種類の材料、特注生産プロセスにより、より強靭、より剛性が高く、より軽量、より低コストなペダルの生産を可能にしています。

重要なニッチを見つける

ボゲは、振動減衰とパワートレイン/シャシマウント製品、軽量プラスチックモジュール、ペダルボックス（ブレーキ、クラッチ、アクセルペダルの組み合わせを含む）の開発・製造を行っています。2008年以来、連続繊維オルガノシートと短繊維オーバーモールドコンパウンドで自動車部品を製造してきました。2018年に単方向（UD）熱可塑性テープを追加。継続的なプロセス革新によりサイクルタイムとコストを削減し、ビジネスを拡大してきました。

「2015年、上司から『ダニエル、君が行った変更はいいけど、本当にカウントされる生産ボリュームを持つもっと大きな市場を見つけられたらいいね』と言われました」と、ボゲグローバルイノベーションセンターの軽量化チーム責任者/シニアマネージャー、ダニエル・ヘッフェリン博士は回想します。ボゲエンジニアチームは挑戦を受け、繊維効率を高めてコスト削減とビジネス拡大を図る方法をブレインストーミングしました。

「オルガノシートは素晴らしい製品ですが、必要な箇所でのみ正しく使わなければなりません」とヘッフェリン氏。「生産プロセスはすでに非常にリーンだったため、サイクルタイムをさらに下げようとしても大きなgainは見込めませんでした。コスト削減の最善策は、無限繊維の使用量を減らし、その繊維をより効率的に使うことだと考えました。」

単にペダルを小さくしたり薄くしたりするだけでは、ブレーキペダルのサイズと形状には実用的制約があり、安全重要性ゆえの厳しい性能スペックがあるため機能しません。最も合理的だったのは、ピーク荷重がかかる部分の局所的な特性を最適化するために繊維配向をより良く制御し、それほどクリティカルでない領域では壁厚を減らす機会を見つけることでした。

「繊維を局所的に『操向』し、剛性と強度を維持するために必要な箇所にだけ配置する方法を探しました」と、ボゲ・ラバー&プラスチックスグループCEOのトーステン・ブレマー博士。「原理的には可能だと分かっていました。スポーツ用品や医療で使われるピックアンドプレースマシンをすでに検討していましたが、高価すぎました。そこで新しいプロセスが必要だと決断しました。」

「すでにドイツOEMと協力し、性能とコスト要件を満たすオールコンポジットブレーキペダルの方法を探っていました」と、ボゲ・プラスチックス&ラバーグループのエグゼクティブVP、製品ラインリーダー・プラスチックスのブルクハルト・ティーマン氏。「『UDテープとオルガノシートで新しいプロセスを開発します』と伝えました。顧客は『質量とコストをさらに下げられるなら、やりましょう』と答えました。それが出発点でした。2015年に、より安価で軽量、大量生産可能なオールコンポジットブレーキペダルを提供すると大きな約束をしました。詳細を詰め、初納品まで3年かかりました。」

ファイバーステアリング

コンポジットブレーキペダルは、現行の鋼やアルミニウムペダルと同じ性能仕様を満たさなければなりません。これには、最大3,000ニュートンの荷重での特別な破壊モード要件と、最大荷重時の鋼鉄並みのたわみが含まれます。これらの要件と制限されたパッケージスペースを考慮すると、最大荷重を担うペダルの主要シェル構造には連続繊維補強が必要です。したがって、チームはオルガノシートでペダルのバックボーンを形成することにしました。UDテープは、その後プリフォーミングでU字チャンネルに曲げられる部分の内壁を、ピーク応力時に局所的に剛性/強度を高めて補強するために使用されます。リブのような機能形状が必要な領域では、刻みガラスオーバーモールドコンパウンドが指定されました。チームはこのハイブリッドアプローチが繊維効率を高め、材料使用量、平均壁厚、サイクルタイムを削減すると感じました。

チームは生産中の繊維位置を最適化するため、集中的なシミュレーション作業を開始しました。ボゲの作業の基盤は、2011-2014年のドイツ公的資金研究プログラム「SoWeMa（完全自動・クローズド軽量製造チェーンのためのソフトウェア、ツール、機械開発）」に基づいていました。

「SoWeMa研究は、1年後に我々自身のベンチャーで問うであろう多くの疑問をカバーしていました」とヘッフェリン氏。「設計はボゲのコアノウハウの一部なので、SoWeMaプログラムの基礎から始め、異方性積層構造のための独自のFE（有限要素）シミュレーション能力を構築しました。」

焦点の一つは、テープ積層とリブ構造のトポロジー最適化の統合でした。「テープ配置を最適化し、それに応じてリブ構造を適応させる反復サイクルを作成しました。両者は部品の剛性と強度を通じてリンクしているからです」と、CRRCイノベーションセンターのFEAエンジニア、K.ジーベ氏。「UDテープ、オルガノシート、短繊維材料という材料組み合わせはユニークで、その適用は特定の温湿度ウィンドウに限定されるため、これらの材料が物理試験中にどう振る舞うかをより正確に特性評価するため、独自のマテリアルカードを構築しました。」

ボゲは、シミュレーション結果と与えられたペダル設計に基づき、各材料の層構造と繊維アーキテクチャを指定しました。ランケス・ドイチュラントGmbH（ドイツ、ケルン）が繊維体積率（FVF）45-50%のオルガノシートを供給。セラニーズ社（米国テキサス州アービング）がFVF 55-60%のUD熱可塑性テープを供給。この用途の短繊維射出コンパウンドは繊維重量分率（FWF）40-60%で複数ソースから供給。すべての材料はブラックで、ポリアミド6または6/6（PA6、PA6/6）マトリックスを特徴とします。顧客仕様を満たすため、PA6がすべての3コンポジットタイプのデフォルト樹脂です。ただし、製造時の温湿度レベル、スペース制約、ペダル形状に応じて、PA6/6をオーバーモールド樹脂として使用することも可能です。両ポリマーは十分に類似しており、よく接着します。

3ステップ生産

設計と並行して、チームは3ステップ生産プロセスに取り組みました。第1ステップでは、プレカット・プリコンポリデート済みオルガノシートを安定したベースとして使用し、部品のシェル構造を補強するために負荷経路に沿って戦略的にUDテープストリップをタックして、テーラードファイバーブランクを作成します。第2ステップでは、ブランクを移動し、順次加熱、統合、成形/ドレーピングを行います。第3ステップでは、短繊維コンパウンドでオーバーモールドし、リブ構造を作ります。

高速サイクルタイムを達成するため、ロボットハンドリングはこのシステムの前提でした。チームが含めたい重要なプロセス特長は、任意の長さ、任意の配向、オルガノシートシェルの片面の任意の位置にテープを配置し、それらをレーザータックして以降のステップでズレないようにする柔軟性でした。

チームが行ったもう一つの決定は、積層直後にテーラードブランクをプリコンポリデートしないこと、ドレーピング/プリフォーミングとオーバーモールドの直前のみ行うことです。材料はドレーピング/プリフォーミングで再加熱される必要があるため、コスト効率のために総サイクルタイムを1分に近づけるには、ドレーピング/プリフォーミングの直前にブランクを加熱・統合するのが合理的だと判断しました。したがって、ボゲは急速な温度上昇と高圧を組み合わせ、テープとオルガノシート間の強力な機械的結合を生成するために、ドレーピング/プリフォーミングの直前にブランクを加熱・統合します。加熱停止と部品温度低下の開始とともに、まだ熱い統合ブランクがドレーピングキャビティに移動し、再び移動して第2キャビティでリブやその他の機能フィーチャーとともにオーバーモールドされます。すべての3材料間で、検証済みのポリマー鎖浸透を伴う強力な機械的結合が達成されます。後工程仕上げは不要です。

これらの安全重要部品の品質要件を満たすため、チームは各製造ステップで材料をチェックするビジョン、力、時間、圧力、温度センサーを使用する高速、正確、インダストリー4.0準拠のシステムも開発しました。システムはそのデータを保存し、各ペダルの固有識別番号に紐付けます。これにより、関わったすべての材料、シフト、プロセス設定の100%トレーサビリティを保証します。

これまでの成果

ボゲの特注、完全自動化、品質管理されたプロセスは、2018年にプロトタイプから大量シリアル生産へのステップを踏みました。新しいペダルを約1分ごとに生産し、現在の製造セルでは年間最大100万個を製造可能です。オールコンポジットペダルは、従来設計比で33%オルガノシート使用量を削減し、公称壁厚は3mmから2mmに低下。ペダルは50-55%軽量化されながら、鋼鉄の強度要件を満たすか上回ります。軽量ペダルは消費者のドライビング触覚を向上させ、システム全体がライフサイクル終了時に100%リサイクル可能です。現在のプロセスでは、コンポジットペダルはアルミニウムとコストパリティ、鋼鉄よりわずかに高コストです。他の自動車およびスポーツ用品用途も開発中です。

自動車メーカーが艦隊電動化にリソースをシフトする中、将来はどうなるか？「ドライブバイワイヤ（電気機械式作動システム）とパワートレイン電動化がより一般的になるにつれ、ガスペダルは消えるかもしれませんが、ブレーキペダルは残ります」とヘッフェリン氏。「しかし、ブレーキペダルへのセンサーなど電子機器の統合がさらに進むでしょう。それにより部品複雑性が大幅に増し、コンポジットが金属よりさらに競争力を持つようになります。」

材料使用、プロセスステップ、装置基準の詳細は、CWの2021年1月フォローアップ記事「特注プロセスで毎分コンポジットブレーキペダルを生産」で説明されています。