GMのCarbonPro複合材ベッド、最新ピックアップトラックに革命をもたらす

2019年モデルのショートベッド（クルーキャブ）GMCシエラAT4（オフロード仕様）とシエラデナリハーフトンピックアップに採用された、炭素繊維強化熱可塑性（CFRTP）複合材ピックアップボックス「CarbonPro」について、ゼネラルモーターズ（GM、米国ミシガン州デトロイト）の先進構造複合材・ピックアップボックス担当エンジニアリンググループマネージャー、マーク・ヴォス氏に最も困難だった点を尋ねると、彼は笑ってこう答えました。「『最も』困難だった部分？すべての部分が挑戦的でした。新しい設計基準、新しい衝撃・リアバリア性能仕様、新しい材料とプロセス。設計プロセスのあらゆる段階が、ある時点で挑戦でした。しかし、結果が物語っています：CarbonProボックスはゲームチェンジャーです。」

チームアプローチ

コルベットの複合材用途に携わった経験を持つヴォス氏は、イノベーションと経営陣を新しい試みに向かわせる手腕を知っています。2011年から、帝人株式会社（日本・東京）との初期交渉、後に帝人の新開発Sereebo CFRTPシート複合材（詳細は「Sereebo CFRTPシート：『地球を救う』」参照）の自動車用途商業化に向けた共同開発作業に関わりました。ヴォス氏が「学習サイクル」と呼ぶ3年間、試験と評価を繰り返し、問題を発見・対処し、さらに試験と評価を重ねて、材料の挙動と用途を理解しました。2015年までに、2019年モデルイヤーシエラデナリのピックアップボックスをSereeboの自動車業界デビューに最適と判断しました。

決め手となった要因はいくつかあります。第一に規模の経済性です。軽自動車（ピックアップとSUV）は北米で最も成長が早く、最も収益性の高い乗用車セグメントです。第二に、トラックはボディオンフレーム構造でモノコックではないため、ボックスはボディインホワイトの不可欠な部分ではなく、ビルド開始時にシャーシ部品に施される電着防食塗装（E-coat）の熱性能を必要としません。第三に、ボックスは乗員室外にあるため、衝撃試験と荷重ケースがキャブ構造自体より緩やかで、新材料・新プロセスの試用にリスクが少ないロケーションです。第四に、GMCの顧客は一般にハイテクかつラグジュアリーな技術を歓迎するため、チームが計画した独自機能を歓迎すると予想されました。

ヴォス氏は、CarbonPro実現に向けた材料・プロセス開発における「真のチームアプローチ」を説明します。チームにはGM、帝人、モルダーのコンチネンタル・ストラクチュラル・プラスチックス（CSP、米国ミシガン州オーバーンヒルズ）が含まれ、CSPは2015年に参画し、GMと帝人が共同開発したプロセスの商業化とCarbonProボックス生産を支援しました。CSPは2017年に帝人に買収されており、シートモールディングコンパウンド（SMC）での他の複合材ピックアップボックス生産の長い歴史を持っています。

進化する技術

Sereeboは、不連続/チョップドカーボンファイバー（25ミリ、24Kトウ）で強化されたポリアミド6（PA6）マトリックスを特徴とするシート状複合材です。繊維層は非常に良く分散しており、成形方法によって等方的特性を示すと説明されています。

熱可塑性マトリックスには多くのメリットがあります。第一に、プレポリマー化状態で供給されるため、金型内で重合・架橋する熱硬化性樹脂より大幅に高速成形可能です。デメリットは、分子鎖が長く、硬く、絡み合っているため、良好な繊維ウェットアウトが難しく、繊維体積率が熱硬化性より低くなりがちなことです。第二に、熱可塑性樹脂は熱硬化性より密度が低い傾向があり、軽量化機会を提供します。最も重要なのは、熱可塑性樹脂は金型から出た時点で熱硬化性複合材のようにサンディングや塗装といった大幅な成形後仕上げを必要とせず、はるかに優れた表面品質を得られることです。さらに、PA6のような「タフな」ポリマーは、自動車用熱可塑性複合材で最も一般的なマトリックスであるポリプロピレンより熱性能と損傷耐性を向上させます。もう一つのメリットは、熱可塑性のオファル/スクラップが容易にリサイクル（溶融再処理）可能で、材料を粉砕して同一樹脂系の別フィードストリームに投入できることです（ただし繊維強化材は短くなります）。

もちろん、カーボンファイバーはガラス繊維より高い剛性と強度を低重量・薄肉で実現します（衝撃強度はわずかに犠牲になりますが、樹脂選定で改善可能）。ヘビートウは、設計では究極強度よりモジュラスが制限要因となることが多い自動車業界では、高級航空宇宙グレードより安価で常用されています。チョップドファイバー強化を採用することで究極強度は低下しますが、自動車用途には十分以上で、肉厚増やリブ追加などの形状付与で改善可能です。単一グレードのSereeboを2厚みで使用し、ピックアップボックスの大部分の部品を成形しているとのことです。

ハイブリッド成形

Sereeboは予熱後金型内で流動しますが、天然の等方性を維持するため、従来のガラスマット熱可塑性（GMT）、ダイレクトロングファイバー熱可塑性（D-LFT）、SMCのようにフロー成形はしません。代わりに興味深いハイブリッド成形プロセスを採用しています。ロボット搭載予成形デバイス（RMPD）による革新的な予成形ステップと、「従来の圧力」での圧縮成形を組み合わせます。RMPDは、成形部品ごとに固有の複雑なエンドオブアームツーリングと説明されています。パーツは必要以上に大きく成形され、成形後に最終サイズへトリミングされます。

「Sereeboの等方的特性はその重量以上の価値があるため、それらの材料特性を保持するプロセスを構築しました」とヴォス氏。「それでも、構造材料でサイドパネルのドロ深さ14-16インチ（36-41センチ）を達成しています」と付け加えます。

「Sereebo材料はGMTやD-LFTのように成形されます」と、CSPのプログラム・製品開発担当エンジニアリングディレクター、スティーブ・ペルチャルスキ氏は説明します。「しかし、予熱時のブランク温度を制限して意図的に流動を抑制（樹脂とUV安定剤の両方を保護）し、プレス直前でシートを予成形してから成形します。予成形で形状を整えてから金型に材料を提示すれば、ドロ深さと成形可能な形状は無限大です。」

CarbonPro最大の4部品（ヘッドボード、左右サイドパネル、プラットフォーム/フロア）は、CSPのインディアナ州ハンティントン工場（GMフォートウェイン組立工場から30分、インディアナ州ロアノークで2019年型シボレー・シルバラードとGMCシエラを生産）にある新型3,600トンディーフェンバッハープレスで、5秒の高速開閉サイクルで成形されます（詳細は「CarbonProボックス：新成形プロセス」参照）。その他の小型部品（バージンSereeboと一部リサイクルLFT：粉砕SereeboスクラップにバージンPA6を添加して流動性向上）は、近くの1,200トンプレスで圧縮成形されます。3回のサブボンディング工程でクロスカーサル、ホイールウェル、サイドパネルモジュールを接合し、それらサブアセンブリを最終メインボックスボンディング工程で集結させ最終組立を行います。全工程で二液型ウレタン構造用接着剤（アシュランド社Pliogrip 8500、米国オハイオ州コロンバス）を使用します。

「リサイクルSereeboで左右ステークポケットに75%の特性保持を達成しています」とヴォス氏。「ビジネスケースに貢献し、プロセスをより持続可能にする大きなウィンウィンです。」フィールドでのリサイクル部品（PIR）の実績次第では、GMとCSPはSereeboスクラップの100%を車両の他部位に転用する計画があり、新プロセスをゼロウェイスト化できます。

CSPはまた、ガラス繊維/PP D-LFTの圧縮成形エンドゲートカバー、ガラス繊維/PA6の射出成形ホイールハウスアセンブリとフロントフィラーパネル、ガラス繊維強化エポキシパルトルージョンのミニサル、ボックスの4本中3本のクロスカーサルをSereeboで生産しています。

顧客志向の機能

CarbonProボックスには、車両と荷室を向上させる特別機能も搭載されています（詳細は「差別化機能」参照）。第一に、ボックスは驚異的な耐衝撃性を実証しています（下記動画参照）、これはベッドライナー不要という大きな機能的メリットです。錆びず、へこまず、成形着色（MIC）された黒色複合材は、傷や風化から守るための塗装やコーティングを必要としません。

第二に、波形フロア構造の設計に多大な工夫が凝らされています。溝部には軽いテクスチャで汚れが落ちやすく、山部には「グリッピー」なアグレッシブなテクスチャを成形し、濡れたり埃っぽい状態でも安定性を確保。ヘッドボードの特別なバイクポケットと接着タイダウン（各227kg荷重対応）で、左右にダートバイク2台、またはセンター前方にハーレーダビッドソン「ファットボーイ」を固定可能。追加のタイダウンが戦略的に配置され、様々な荷物を安定させます。インテグラルライトがフェンダーフレア周りとテールゲート（標準または6ポジションMultiPro）周りのボックス内部を照らします。

複合材ボックスは、シエラの混合材構造（アルミニウム、高張力鋼、ロールフォーム鋼、複合材、プラスチックを組み合わせ）で重要な役割を果たし、従来モデルから163kgの軽量化を実現しています。