自動車量産向け高性能カーボンファイバー／エポキシ複合材：大幅な軽量化と量産性を両立

IACMIプロジェクト3.2では、新規エポキシ系樹脂システムでインフュージョンされたカーボンファイバー強化複合材を評価し、高荷重・安全クリティカルな用途で金属を置き換える複雑形状の構造複合材部品を開発。最初の応用例の一つは、試験車両のBピラーへのカーボンファイバー／エポキシプリプレグ採用。この高性能プリプレグ材料により片側3kgの直接軽量化を達成し、周囲の鋼板を薄肉化・低コスト合金化できるため、さらなる軽量化とコスト削減に寄与。出典：フォード・モーター社

厳しい規制と共同研究の必要性

多くの地域で自動車メーカーは2025年までの排ガス削減・燃費向上義務に直面しています。根本的な新技術開発には多額のコストがかかるため、サプライチェーンメンバーが事前競争研究コストを分担するコンソーシアムが各国で活用されています。

米国では、先進複合材製造イノベーション研究所（IACMI－複合材研究所、テネシー州ノックスビル）がその一つ。産学官のメンバーが、材料・プロセス統合開発、モデリング・シミュレーション、異種材料接合、リサイクルなど多角的プロジェクトで、エンジニアリング課題解決、車両軽量化、エネルギー消費・排出削減、米国雇用創出に取り組んでいます。

プロジェクト3.2と「不可能」とされた樹脂システム

プロジェクト3.2はIACMI発足（2015年6月）当初からの主要プロジェクトの一つですが、使用技術はIACMI設立数年前から、フォード・モーター社（ミシガン州ディアボーン）と当時のダウ・オートモーティブ（現ダウ・ケミカル、ミシガン州ミッドランド）の協業で開発が始まっていました。IACMI発足とともに両社の新規エポキシ樹脂システム研究がプログラムに組み込まれ、後に複数フェーズへ拡大：プリプレグBピラー、オールSMC（シートモールディングコンパウンド）デッキリッド、SMC／アルミニウムハイブリッドリフトゲートへと展開されました。

VORAFUSE樹脂ファミリー

フォード向けにダウが開発したVORAFUSEは、プリプレグとSMCの両方に使用でき、北米自動車業界で広く普及している圧縮成形設備で処理可能。フォードの要求仕様は以下の通りです。

• ガラス転移温度（Tg）：150〜160℃
• 成形温度：145〜155℃
• 150℃で2分未満の硬化（1分未満も可能）＝年産10万台以上の量産対応
• 成形後硬化度95%以上
• 溶剤・揮発性有機化合物（VOC）フリー

「フォードが定めたCTQ（重要品質特性）は単一商品では未達成のユニークなもの。新規ケミストリーと非伝統的製品群が必要だった」とダウ・ポリウレタンR&Dフェローのデイブ・バンク氏。「棚卸し安定性と重合の熱力学的分離により、室温でドライペースト状を保ちカーボンファイバーにインフュージョン可能。成形条件150℃に達すると化学反応が『熱く』なり急速硬化する」と説明。ダウは21件の特許出願を行い、うち4件が許可されています。

VORAFUSEシステムの追加特長

• 室温で50日以上の棚卸し安定性、150℃以上でスナップ硬化。保管温度40℃以下ならフリーザー不要。
• 非粘着ケミストリーで自動ハンドリングに最適。従来プリプレグの粘着性によるロボット等の汚染・トラブルを回避。
• 新規内部型離剤（IMR）配合で、外部型離剤塗布なしで1,000ショット成形可能。エポキシは金属への強力接着性から通常IMRと相容れない。
• 未硬化品を裁断・再供給し、不連続繊維強化コンパウンドとしてリブ・ボス等複雑形状に成形可能。従来のエポキシプリプレグ・SMCでは不可能な全未硬化スクラップ再利用で、持続可能性向上と歩留まり改善・コスト削減を実現。

フェーズ1：プリプレグBピラー

VORAFUSE導入後、IACMIは自動車応用への取り組みをフェーズ1として開始。参加メンバー：フォード、ダウ、ダウアクサUS LLC（アリゾナ州ツーソン、ダウ・ケミカルとアクサ・アクリリックの50/50合弁ダウアクサB.V.の米国拠点）、ミシガン州立大学、パデュー大学、テネシー大学ノックスビル校、コンチネンタル・ストラクチュラル・プラスチックス（CSP、ミシガン州オーバーンヒルズ）、オークリッジ国立研究所。

第1フェーズでは、エポキシ含浸の連続（ブレード・ノンクリンプファブリック）カーボンファイバー強化プリプレグを開発。VORAFUSE P6300樹脂をダウアクサA42 D012 24K標準モジュラスカーボンファイバー向けに調整。目標は、大量生産車の一次ボディ構造における高荷重・安全クリティカル用途で、プレス金属を置き換える複雑形状の構造複合材部品を開発すること。

技術実証にはフォード「フュージョン」試験車の片側Bピラーを使用。シミュレーション検証後、実部品を成形し全必須試験（フルスケール車両衝突試験含む）を実施。全試験合格、現行金属比で片側3kg軽量化。未硬化スクラップをリサイクルしてピラーの複雑リブ構造に活用。高性能複合材により周囲鋼板を薄肉化・低コスト合金化可能で、さらなる軽量化・コスト削減を確認。

全フォード要件をクリアし、初の商用採用はカーボン複合材多用のフォード「GT」スーパーカーのフロントルーフヘッダーとフロントフロアクローズアウトパネルとなりました。

カーボンファイバー／エポキシプリプレグはコストプレミアムがあるため、大幅な軽量化が求められ、それに見合うプレミアムを支払える車種に最適です。

最近ではプロジェクト3.2で、新規エポキシを用いたカーボンファイバー強化SMCをデッキリッド（左）とリフトゲート（右）の構造／内板に適用。プロジェクトは終了間近だが、商用可能な技術を生み出し、今後の課題も明確化。出典：フォード・モーター社

フェーズ2／ワークストリーム1：オールSMCデッキリッド

プリプレグ成功を受け、不連続カーボンファイバー強化SMCを新規エポキシ樹脂で、安全クリティカル機能を持つ複雑3D構造へ展開。デッキリッド（トランクリッド）内板と、より大型・複雑なリフトゲート（リアハッチ／ウィンドウガラス、ワイパーモーター、ライト等含む）内板の2実証機で検証。元の設計制約、ハードウェア、接合技術、構造用接着剤は変更せず、引張強度300MPa以上、引張剛性40GPa以上（現行鋳造マグネシウム・アルミニウム相当）という厳しい機械的ターゲットを設定。SMCはプリプレグより高流動性が必要なため、別グレードVORAFUSE M6400を開発。

デッキリッド実証機では、リンカーン「MKS」試作車のデッキリッド内板で、従来のガラス繊維／不飽和ポリエステルSMCをカーボンファイバー／エポキシSMCに置換。外板は低比重（LD、1.25）ガラス繊維／ポリエステルSMCに置換（従来は標準比重1.9）。両外板材ともクラスA対応。既存金型でカーボンファイバー／エポキシSMC内板とガラス繊維／ポリエステル外板を成形。両樹脂系の収縮差はフィット・フィニッシュ問題を起こさないレベル。

バーチャルプロトタイピングでねじり剛性、フロントコーナー剛性、ウォーターフォールたわみ、ラッチ荷重等の厳しい負荷ケースを検証。数十枚の内外板を成形・接着・試験し、89km/h後方衝突試験等もクリア。

デッキリッド質量30%削減（10.5→7.33kg）。予算許せば内板を再金型化（高性能ゆえに薄肉設計可能）で、2mm肉厚なら35%以上、1.5mmならさらに軽量化試算。

カーボンファイバー／エポキシSMCは全フォード要件を満たし商用プラットフォームへの展開可能だが、従来ガラス繊維／ポリエステルSMCよりコスト高。

フェーズ2／ワークストリーム2：SMC／アルミニウムハイブリッドリフトゲート

最後の課題は、軽量金属をカーボンファイバー／エポキシSMCで置換し、より大型・複雑なフォード「モンデオ」5ドア／ハッチバック試験車用リフトゲートで、金属／複合材ハイブリッド接着構造を構築すること。車両組立シーケンスへの影響最小化のため、電着防錆（Eコート）処理と塗装焼付サイクル前のボディインホワイト（BIW）段階で組み付け可能な設計。

構造／内板でマグネシウムをカーボンファイバー／エポキシSMCに置換し、現行アルミニウム外板と接着。新規金型作成が必要なため部品を再設計：剛性・強度要件に合わせ肉厚変化とリブ追加、ガスストラット・ラッチ・ヒンジ・ロック等の高荷重取付部には金属補強を配置（パッケージスペース許容範囲で複合材板がやや厚くなる）。

フォード・モンデオ5ドア／ハッチバック版SMC／アルミニウムリフトゲート（金属ハードウェア含む）の分解図。出典：フォード・モーター社

ねじり・曲げ荷重、横安定性、耐食性、長期耐久性、リア衝突試験等の厳しい要件に加え、マージン・フラッシュネス等の厳格な寸法安定性要求も対象。

ハイブリッドシステムは大半の要件をクリアしたが、複合材内板とアルミニウム外板の線膨張係数（CLTE）ミスマッチにより、接着接合部に残留応力蓄積、冷却後のパネル歪みというフィット・フィニッシュ問題が発生。パデュー大学シミュレーションチームと、Eコート温度耐性で選定した1Kエポキシ接着剤の弾性率・強度・硬化キネティクス予測精度向上に取り組み、逆設計でより良い接着剤を探索。歪みを1桁低減したが目標わずかに未達。解決策として：2K／常温硬化または誘導硬化接着剤の試用、新規高温接着剤開発、長期的には外板もカーボンファイバー複合材化、またはリフトゲートをオフライン生産し後工程で組み付け等が考えられるが、いずれもコスト増要因。

プロジェクト3.2は終了間近だが、興味深い技術を生み出し、BピラープリプレグとSMCデッキリッドは商用準備完了、他領域は更なる研究が必要と指摘。

「IACMIおよび産学パートナーとの協業で、基礎原理から技術に深く潜り、基礎科学を確立し、単独では不可能な幅広い知見を得られた」とプロジェクト3.2リーダー、パトリック・ブランチャード氏（フォード研究・イノベーション、先進ポリマーシステム技術リーダー）。「新たな商用機会とR&D活動でIACMIパートナーとの協業継続を期待する」