2分熱可塑性オーバーモールディング（熱硬化性対象）：自動車複合材向けワンセルプロセス

熱可塑性テープの自動プリフォーミングとその後のハイブリッド成形（熱成形とリブ・クリップ・ボスの射出オーバーモールディング）は、自動車のような大量生産用途における複合材製造の未来と謳われてきました。しかし、熱可塑性の靭性と射出成形機能、炭素繊維強化エポキシ部品の高性能を組み合わせられたらどうでしょうか？

これが、2018年に終了した3年間プロジェクト「OPTO-Light」が答えを出した課題です。ドイツ連邦教育研究省（BMBF）が、光子学（レーザー等の光ベース技術）を軽量構造の大量生産向けに開発する戦略の一環として資金提供しました。プロジェクトは、アーヘン工科大学（RWTH Aachen）のアーヘン統合軽量構造センター（AZL）に委託されました。AZLは、8つの研究機関と企業が単一キャンパスで協力し、軽量材料、製造技術、アプリケーションを開発する場を提供しています。

OPTO-Lightの明確な成果は、エポキシベースCFRPの高剛性・軽量・低クリープと、熱可塑性オーバーモールディングの高設計自由度・低サイクルタイムを組み合わせたことです。しかし、これはプロジェクトが達成した数多くの潜在的複合材業界ディスラプターの一つに過ぎません。他には：

• 熱硬化性3D表面への熱可塑性接合のためのレーザー前処理開発；
• 反応ポリマー処理、レーザー処理、オーバーモールディングの3技術を単一・高速サイクルタイム製造セルに統合；
• 材料を垂直に固定して標準射出成形機で処理する水平プリプレグ圧縮成形（HPCM）；
• プリプレグ圧縮成形と熱可塑性オーバーモールディングの全要件を統合した単一回転金型開発；
• フリーフォーム3D表面に沿ったレーザー前処理とオーバーモールディングのクリティカルアライメントのための光学的部品参照手法；
• BMW i3電気自動車ライフモジュールのフロアパネル3D構造部分を2分サイクルタイムで製造するプロセス実証。

プロジェクトの2018年4月最終報告書によれば、この技術は自動車CFRP部品コストを、ウェット圧縮成形とクリップ用単一オンサート接着剤接合を用いた現行生産比で最大30%削減可能だとしています（図2参照）。

熱可塑性から熱硬化性への接合：なぜ？

なぜ熱可塑性オーバーモールディングを熱硬化性複合部品に接合するのか？「エポキシ樹脂で作られた熱硬化性CFRP部品は、車体用途で最良の特性を提供する」と、AZL研究エンジニアのリヒャルト・シャーレス氏は断言します。熱可塑性複合材リブのオーバーモールディングは部品の設計剛性（断面係数）を高め、必要炭素繊維量を削減します。「CFRPシェルと同等のリブ厚で、OPTO-Lightデモンストレーション部品の曲げ比剛性を3倍にできる」と同氏。オーバーモールディングは、成形一体型取り付けクリップやネジ用ボスを提供しつつ、炭素繊維と金属ファスナー間のガルバニック腐食防止絶縁も同時に提供することで、更なる部品コスト削減に寄与します。

目的は定まったが、課題は両材料を単一成形セルでどう組み合わせるかでした。シャーレス氏は産業パートナー選定経緯を説明します。「BMWがCFRP部品量産で最も経験豊富。KraussMaffeiは、ColorForm多成分射出成形機やFiberFormハイブリッド成形機など、複合技術創出に非常に積極的だった。」

OPTO-Lightデモンストレーション部品は、BMW i3ライフモジュールフロアのホイールウェル端壁を含む、長さ470mm×幅317mm×深さ130mmの部分でした。「このコンポーネントの荷重ケースは、衝突時の良好な剛性と強度特性を要求する」とシャーレス氏。「また、水平プリプレグ圧縮成形、レーザーアブレーション、フリーフォーム表面に沿ったオーバーモールディングを実証するため、形状とドレーピングの複雑さも求めた。」

なぜ光子学？

ドイツは、現在のグローバル製造デジタル変革における光子学の鍵となる役割から、長期戦略で光子学技術開発を資金援助し続けています。複合材業界は注目すべきです。光子学は、自動ファイバープレースメント、熱可塑性レーザー溶接、精密加工、各種3Dプリントプロセスだけでなく、計測、プロセス監視、インライン検査のためのセンサーと視覚通信も可能にするからです。OPTO-Lightでは、近赤外（NIR）レーザーをオーバーモールディング用表面前処理に使用し、多様なレーザーベースセンサーがプロセス制御とインライン品質保証（QA）データを提供しました。

最終的な4つのOPTO-Lightパートナーはドイツ光子学システムサプライヤーです。第一のArges（ヴァッカースドルフ）は、レーザー加工用3Dスキャナーの専門家。「典型的には革新的レーザースキャンシステム、産業材料加工と医療用途でのレーザービーム位置決めと偏向を開発」とシャーレス氏。Argesダブルビームユニットがアブレーションと加熱用に開発されました。Precitec（ガッゲナウ）がアブレーションと部品参照時の距離測定用干渉計センサーを供給。Sensortherm（ズルツバッハ）がプロセス制御支援用放射温度計（温度センサー）を提供。Carl Zeiss Optotechnik（旧Steinbichler、ノイボイエルン）がQA用T-scanレーザースキャナーを提供。「部品形状測定と潜在的変形検出を行う。オーバーモールディングリブがCFRPシェルに完全接合されていない等の欠陥を表示する」とシャーレス氏説明。これらすべてシステムは「多機能レーザースキャナー」（図2）に統合され、Kuka（アウグスブルク、ドイツ）6軸ロボットアーム末端に搭載されます。

HP-RTMからプリプレグテープへ

当初のアイデアは、IKVプラスチック加工研究所が開発したギャップ含浸としても知られる高圧樹脂移転成形（HP-RTM）の一種、C-RTMでエポキシCFRP部品を作ることでした。しかしこの期間中、自動テープベースプロセスがノンクリンプファブリック（NCF）液体成形に挑戦し、切断スクラップ30%削減を報告。スナップキュア液体エポキシ樹脂もプリプレグ材料へ拡大し、圧縮成形が魅力的になり、1〜2分の潜在的サイクルタイムを実現。

デモンストレーターシェル用に4種類の一方向プリプレグを評価。これらはBroetje-Automation（ドイツ、ラシュテデ）STAXXテーププレースメントセルでネットシェイプ2Dテーラードブランクに変換されました。

成形CFRPシェルは、Lanxess（ドイツ、ケルン）Durethan BKV 30 H2.0 901510を用いた30%短ガラス繊維強化ポリアミド6（GF/PA6）でオーバーモールディングされます。KraussMaffei CXW-200-380/180 SpinForm射出成形機がOPTO-Light製造セルの基盤として選ばれ、AZLに設置されました。スイベルプラテン技術を備え、多成分射出成形を可能にします。

スイベルプラテンに取り付けられた金型は、2つの異なる成形キャビティ（エポキシプリプレグ圧縮成形と熱可塑性射出オーバーモールディング）を形成するために使用されました。「誰もこんなツールを作ったことがない」とシャーレス氏指摘。BMWとKraussMaffeiが両プロセスの全要件（異なる温度帯による公差、旋回精度、熱硬化性樹脂シーリング、射出成形金型標準詳細等）を最終決定するのに数週間費やしました。

レーザーアブレーションと部品参照

圧縮成形プロセスで得られたエポキシCFRPシェルは、異種材料間の十分な接合強度を達成するため、熱可塑性オーバーモールディング前に処理する必要があります。レーザーアブレーションは、機械的・化学的前処理と比較して環境に優しい単一ステッププロセスを提供し、精密なアブレーション深度とパスを実現し、3D表面に沿ったリブ接合に適しています。アブレーション手法は、エポキシ樹脂表層10ミクロンを局所的に除去して炭素繊維を露出させます。これにより表面を清浄化し、オーバーモールディングコンパウンドが露出繊維にウェッティング・浸透できるマイクロ構造を生成します。

多機能レーザースキャナーは、1.064ナノメートル波長のレーザービームをナノ秒パルスで放出。「高強度が必要で、パルスが最も効率的に達成する」とシャーレス氏。「連続波レーザーも試したが、接合ゾーン下の複合ラミネートに過剰な熱応力を導入し、繊維-エポキシ接着力を低下させる。産業環境でリモート処理可能なプロセス適合ビームソースを見つけるのは容易ではなかった。」

オーバーモールディングリブが前処理領域と一致しなければならないため、アブレーションプロセスには高位置決め精度が必要です。その後のオーバーモールディングガラス繊維/PA6複合材配置は金型ツールによって厳密に定義されます。したがって、AZLが必要な部品参照手法を開発しました。「前処理形状とオーバーモールディングコンパウンドのオフセットは300ミクロン未満でなければならない。したがって、レーザースキャンフィールド中心点（ツールセンターポイント）の基準点相対精度は150ミクロン以内でなければならない。これが達成され、レーザー前処理サイクルタイムも2分未満。」Fraunhofer生産技術研究所（IPT）によるロボット・レーザービーム用パス生成予備作業が非常に重要だったとシャーレス氏は強調します。システムは実力を証明し、試験結果でGF/PA6オーバーモールドとエポキシCFRP基材間せん断強度27MPaを示しました。

より短いプロセスルート

初期プロセスのメリットが文書化される中、OPTO-Lightチームはレーザー前処理を排除可能だと気づきました。この2ステッププロセスでは、エポキシプリプレグシェルを部分硬化のみとし、エポキシ樹脂の残留反応性を利用して熱可塑性オーバーモールディングとの接合を達成します。未硬化エポキシとPA6間の接合には3つの潜在メカニズムが存在します：

• 反応性エポキシ環とPAアミン基間の共有結合；
• アミン水素をドナー、エポキシ酸素をアクセプターとする水素結合；
• PA分子鎖の高温移動性による拡散効果に基づく半相互貫入ネットワーク。

この2ステッププロセスの利点は「前処理をスキップできるが、必要なプロセス制御はより困難で、表面品質は高光沢ではない。しかし、生産簡素化による更なる部品コスト削減は非常に魅力的」とシャーレス氏。

このプロセスルートの鍵はプロセス監視です。「プリプレグ圧縮成形プロセス内部を見なければならない。硬化状態についての知識が確実でなければ、熱可塑性オーバーモールディングとの良好な接合が達成できない」と同氏説明。この硬化状態監視は、金型内圧力・温度センサー、金型内直流抵抗率（DCR）と誘電分析（DEA）センサーで達成されました。

DCRとDEAは複合材硬化監視で確立されています。OPTO-Lightでは、DCR/DEAプロセス制御はSynthesites（ベルギー、ウックル）のOptimoldシステム（耐久性16mm DCRセンサーとOptiviewソフトウェア含む）で構成。Optimoldは樹脂電気抵抗と温度を210℃まで、圧力90barまで、サンプリングレート1Hzで監視。Netzsch Gerätebau（ゼルプ、ドイツ）のDEA288 Epsilon解析装置（4mmセラミックモノトロードとProteusソフトウェア含む）。Kistler Instruments（スイス、ヴィンタートゥール）DataFlowソフトウェア（射出成形最適化用）も重要コンポーネント。

プリプレグプリフォーム金型内固定から射出オーバーモールディングキャビティ排出までのプロセスは、DCR/DEAセンサー信号で記述されます。これらデータは、圧縮成形での最適硬化時間を特定し、射出成形へのピボットで硬化完了とオーバーモールディングを行うために不可欠です。センサーは加工中の材料特性評価を助け、最適部品品質を実現。将来的には、DEAとDCRセンサー信号でプロセスピボットをトリガーする適応的・知能的プロセスになる可能性があります。

初期試験では、エポキシ-PA6接合で引き剥がし強度9N/mm²、さらに高いせん断強度を示しました。この第2短縮OPTO-Lightプロセスルートの接合強度向上に向け作業継続中で、更なるプロセス監視活用も探求中。チームはまた、水平プリプレグ圧縮成形が独立プロセスではなく、オーバーモールディングと同時達成されるワンステッププロセスも探求しています。

ハイブリッド化による未来の破壊的革新

OPTO-Lightの破壊的革新ポテンシャルは、2017年AVKイノベーション賞研究・科学部門で認められました。プロジェクト2018年最終報告書は、複合材が量産自動車生産で金属とコストパリティを達成するには、部品機能統合の最大化だけでなく、それら部品を製造するプロセス統合も必要だと主張します。OPTO-Lightは、光子学ベース計測、表面処理、熱可塑性/熱硬化性成形を含む技術アレイを開発し、両方を可能にしました。これら技術は、射出成形を拡張するレーザー処理など、更なるハイブリッドプロセスへの扉も開きます。「開発したレーザーツールを成形セルに統合することで、射出成形機内でポリマープロセス前・中・後にレーザーアブレーション、切断、前処理、加熱を実行可能になる」とシャーレス氏。「これにより未来部品の機能性が拡張される。」

複数製造プロセスを単一ワークセルに統合するアイデアは複合材で勢いを増しています。例えば、多くのCNC工作機械メーカーが積層造形と減法CNC加工を組み合わせたセルを提供。MF Tech（フランス、アルジャンタン）は「3Dフィラメントワインディング」とCNC加工を組み合わせ、共同創業者エマニュエル・フルバ氏が更なるハイブリッド化、ロボットがエンドエフェクターを超音波・レーザー溶接機（熱可塑性接合用）や自動ファイバープレースメントヘッド（局所UDテープパッチ適用用）に切り替え可能になることを確認。「ロボットガイドレーザーシステム統合により、『ツールボックス』が更なるインライン複合技術定義のために拡張される」とシャーレス氏。これは、完成品への電子機器統合も間もなく実現する、自動化・多プロセス複合材製造への前進におけるもう一つの重要なステップです。

OPTO-Lightがパートナーシップで教える最後の教訓は、「このプロジェクト管理で最も興味深い課題は、各々独自の専門知識（光子学、反応ポリマー、射出成形、計測等）を持つ多様なパートナーをどう取りまとめ、各オペレーションの効果について共通理解を開発・前進させ、この単一プロセスチェーンを成功させるかだった」とシャーレス氏。IKV射出成形、IKV反応ポリマー、ISF溶接・接合、Fraunhofer IPTレーザー統合、Fraunhofer ILT代替レーザー源という5つのパートナー研究所が貢献した専門知識とサポートの重要性を強調。「このプロジェクトは、学際的開発がコスト削減複合材生産の技術的課題を効率的に解決できる能力を実証した」とシャーレス氏。「さらなる破壊的革新の基盤も築いた。」

OPTO-Light統合プロセス動画：https://youtu.be/b9HmgnuGQY0