スケルトン設計がコスト効率の良い複合材自動車構造を実現

製造業者が複合材部品のコスト削減を求める中、設計者は構成材料を可能な限り効率的に使用し、自動生産と多機能統合を可能にしようと努めています。自動車用途では、サイクルタイムが1〜2分という短さが要求されるため、この課題はさらに困難です。

オーバーモールディングとスケルトン設計の進化

連続繊維プリフォームの上に熱可塑性複合材フィーチャーを射出成形するオーバーモールディングは、長年解決策として追求されてきました。例えば、CAMISMAプロジェクトでは2014年にオーバーモールディングされた複合材シートバックを実証しています（「CAMISMAの車載シートバック：大量生産向けハイブリッド複合材」参照）。「しかし、このアプローチが今、熱可塑性複合材BIW（ボディ・イン・ホワイト）構造の完全自動生産という次のレベルに達した」と、SGLカーボン（ドイツ、ヴィースバーデン）軽量化・アプリケーションセンター（LAC、ドイツ、マイティンゲン）責任者のクリストフ・エベル博士は説明します。

この進歩は、数年間開発されてきた「スケルトン」設計アプローチのおかげです。2015年のMAIスケレットプロジェクトで初めて実証されたこのプロセスでは、一方向（UD）炭素繊維熱可塑性パルトルージョン材を熱成形し、2工程・75秒でオーバーモールディングすることで、これまでの全バージョン要件を超える構造屋根部材を製造します。また、取り付け用クリップを統合し、破壊挙動を脆性から延性へと変化させることで、BIW残留強度を向上させています（詳細は「MAIスケレット設計プロセスの詳細」参照）。

MAIスケレット実証機：フロントウィンドシールドフレーム

17ヶ月間のMAIスケレットプロジェクトは、ドイツ連邦教育研究省（BMBF）の支援を受け、カーボンコンポジットe.V.（アウグスブルク）の地域部門MAIカーボンによって完了しました。BMW（ドイツ、ミュンヘン）が主導し、具体的な実証機としてフロントガラス上部、2本のAピラー間に位置するウィンドシールドフレームを製作しました。設計は現行BMW i3の構造に基づき、すべての機能・スペース要件を満たしています。ウィンドシールドフレームは、屋根の横方向構造部材としての役割に加え、剛性確保（騒音・振動・ハーシュネス（NVH）低減）、強度（ルーフプレス試験）による衝突要件適合、内装部品（バイザー、内装トリム、照明用ワイヤーハーネス等）の取り付け具、フロントガラス・サンルーフ・外板ルーフとの接続支持など多機能を担っています。

スケルトン設計のウィンドシールドフレームは、部品の四隅に配置された4本のUD繊維強化パルトルードバーを、オーバーモールディングされたフレームで包み込み、ねじり剛性と複雑な形状の機能的取り付け部を提供します。パルトルードプロファイルはすべて同一平面上にはなく、高さ60mmの部品において、2本は下部近く、2本は上部近くに配置されています。

パルトルージョンを熱可塑性ツールボックスの一部として

MAIスケレットのウィンドシールドフレームでは、10mm×10mmの正方形断面が採用されました。目標は、より安価なヘビートウ炭素繊維を使用することでした。しかし、選択された50Kトウ繊維は、無数のフィラメントが密に詰まっており、樹脂含浸がより困難です。「一般的に、この課題は最適化された繊維ガイドとスプレッディングによって克服でき、約50体積%の最適な含浸と繊維体積含有率を達成できる」と、SGL熱可塑性製品マネージャーのヴェロニカ・ビューラー氏は語ります。SGLはこの技術を習得し、現在パルトルージョンを熱可塑性ツールボックスの一部として提供しています。「熱可塑性テープもパルトルージョンベースであるため、半製品に関する幅広い知識があり、現在使用しているパルトルージョン技術を迅速に適応させて独自のプロファイルを作成できた」と続けます。プロセスには、繊維体積、気孔率、寸法精度の品質試験が含まれます。「後者は自動化とロボットハンドリングの観点から非常に重要です。例えば、パルトルードプロファイルの残留応力による湾曲は許されません」と同氏は付け加えます。

熱可塑性樹脂の探求：PA6とインシチュPA6

MAIスケレットでは、パルトルージョン補強材に加え、熱可塑性樹脂も調査されました。最適なパルトルージョン品質と速度に必要な粘度とレオロジーを決定するため、さまざまなタイプのポリアミド6（PA6、ナイロン6）が試験されました。SGLは熱可塑性ツールボックスを通じてプロジェクト向けに多様な材料を提供しました。ツールボックスは、UDテープ、オルガノシート、短繊維・長繊維強化コンパウンド用チョップドファイバー、そしてUD強化パルトルージョンで構成され、すべてSIGRAFIL 50K炭素繊維をベースに、ポリプロピレン（PP）およびポリアミド（PA6、インシチュPA6含む）マトリックスに適したサイジングが施されています。「繊維、サイジング、マトリックスを調和させることは、複合構造物の最適性能を達成するために不可欠です」とビューラー氏は述べています。

インシチュPA6についても説明しています。「これは、カプロラクタム単量体、または触媒と活性剤を添加した単一単量体を反応させ、複合部品の成形中に重合（長鎖ポリマー形成）させるものです。」つまり、カプロラクタムがインシチュ（その場で）ポリアミドに重合します。ビューラー氏は、ポリアミドというポリマーグループにはPA66やPA12、特定のPPAタイプもマトリックス選択肢として含まれると指摘しています。

熱成形とオーバーモールディングの2工程75秒

MAIスケレットのウィンドシールドフレーム製造は、炭素繊維/PA6パルトルードプロファイルから始まります。これらは部品形状と荷重導入ポイントに合わせて修正する必要があり、熱成形が選択されました。主な懸念は、炭素繊維の高強度・高剛性を実現するためには、できるだけ直線的に保つことです。これは、パルトルードバーをマトリックス流れ方向に引き伸ばし、バーの端部を平坦化・曲げることで達成されました（図1）。

第2工程では、熱成形されたパルトルードプロファイルを赤外線ヒーターで50秒未満で加熱し、専用開発された自動搬送システムで射出金型へ移送します。プロジェクト内の全部品は既存の射出成形機で生産されました。その後、ファイバー強化コンパウンドがプロファイル上と周囲にオーバーモールディングされます。オーバーモールディングでは、金型とプロセスの両方で精度が要求され、4本の熱成形パルトルードバーを位置保持する必要があります。

2工程（熱成形と既製パルトルージョンのオーバーモールディング）の総サイクルタイムは約75秒でした。「熱可塑性マトリックスがオーバーモールディング前に再溶融されるため、既製・熱成形されたバーを極めて短いサイクルタイムで成形・接合して完成部品にできる」とエベル氏は説明します。「一般に、熱可塑性の溶融性は金属部品との接合も可能にします」とビューラー氏は付け加え、熱可塑性熱成形と射出成形プロセスは優れた再現性とプロセス制御を提供し、これらは大量生産の重要な要素であるとしています。

延性破壊モードの実現

ガラス繊維と炭素繊維を用いたPPAおよびPA6プロファイルと相性の良い成形コンパウンドを評価し、部品のより延性な破壊モードを探求しました。延性破壊モードはウィンドシールドフレームの伝達荷重を減らすものの、BIW全体の構造的完全性を向上させました。

解析手法には、ソリッドモデリング、リバーモデリング（パルトルージョンをオーバーモールディングを補強する鉄筋として扱う幾何モデリング）、シェル要素を用いたモデリング、およびこれらの各種組み合わせが含まれます。ソフトウェアには、FEソルバーABAQUS（ダッソー・システムズ、フランス・パリ）、サンドヤ国立研究所開発のDakotaパラメータソルバー（米国ニューメキシコ州アルバカーキ）、トポロジー最適化にOptiStruct（アルテアエンジニアリング、米国ミシガン州トロイ）が使用されました。

BMWは最終プロジェクト報告書で特定の材料組み合わせを指定しませんでしたが、最終シミュレーションと試験結果では、スケレット部品が現行CFRP（炭素繊維強化プラスチック）部品のすべての要件を上回ったものの、ねじり剛性のみがウィンドシールドフレームの主要設計駆動要因ではないと判断されました。スケレット設計は、衝突荷重ケースにおいて現行CFRP部品を上回る荷重レベルとエネルギー吸収を達成し、より延性な破壊モードの実現にも成功しました。これは複合構造物の衝突性能だけでなく、その衝突性能がBIW構造全体とどう関わるかという理解も前進させます。

今後のスケルトン設計応用

MAIスケレット最終報告書で、BMWはスケルトン設計アプローチによる製造・材料・金型コストの大幅削減の恩恵を受けられる他の6つの車両部品を特定したとしています。SGLカーボンは、自動車および航空宇宙用シート構造、ダッシュボード、ロボットアーム、X線台などへの応用を提案しています。

しかし、スケルトン設計アプローチはさらに発展し、フォローアッププロジェクトMAIマルチスケレット（2015年9月〜2017年6月実施）では「多軸」応力を受ける部品へと拡張されました。そこでは、支持部品とパルトルードプロファイルの交差部や、複数の主要荷重パスが交差する大型構造部品の高荷重導入部に焦点を当てました。前回のスケレットプロジェクトと同様に、部品設計とコスト効率の良い量産ラインが調査されました。

スケルトン設計が既存複合部品をさらに最適化する例として、SGLと自動車技術スペシャリストのベルトランド（ドイツ、エニンゲン）が2017年に開発した電気自動車向けカーボンキャリアフロントインテリア（図2）があります。従来のインストルメントパネルの主要機能・トリム部品をすべて統合し、熱成形オルガノシートを荷重支持「バックボーン」として剛性を付与しました。「将来的には、この部品をオーバーモールディングされた熱可塑性プロファイルを用いた設計に置き換えられる」とエベル氏は語ります。「これにより、オルガノシートの切断、積層、トリミング工程が不要になります。また、クロスメンバーも不要となり、パルトルードプロファイルとして統合しオーバーモールディングすることでダッシュボード設計を実現できます。このオーバーモールディング部品は、必要な取り付け要素、ネジ、クリップ、ケーブル等を収容するためのスペースと柔軟性もより多く提供します。」

エベル氏はこれが大きな設計変更であることを認めつつ、「しかしコストを削減し、部品全体をより効率的にする」と強調します。プロファイルは必要な長さに正確に切断されるため、炭素繊維強化材がこれらの工程やオーバーモールディング前の熱成形で失われることがなく、ほぼ廃棄物ゼロのプロセス設計が可能であると指摘しています。ビューラー氏はシートもスケルトン設計の有力候補であるとしています。「複合材では通常、織物やテープで作られ、依然としてシート状構造です。しかし、底部にプロファイルを統合して剛性を高めることで、平面領域の厚みを減らせます。」パルトルードプロファイルだけでなく、テープも各部品の荷重パスに容易に適応できる効率的なUD製品となり得ると付け加えています。

「多くの企業が軽量化・アプリケーションセンターを訪れている」とエベル氏。「スケルトン設計という追加的な革新的コンセプトは、多くの関心を集め、来訪者から非常に有望視されています。」同センターは設計能力を蓄積し、スケレットコンセプトのような革新的アイデアの統合を支援し、将来の材料効率の良い部品のための新たな設計空間を開くとしています。

「ウィンドシールドフレームのような設計を応用できる用途はたくさんある」とビューラー氏。「業界が準等方積層から脱却し、炭素繊維の強度と剛性を十分に活用していない現状から、より効率的な材料形態を活用し、必要な場所にのみ材料を配置する方向へ進むことが重要です。これが業界の未来に必要なことです。」