初の熱可塑性ドアが切り拓く先進自動車複合材の道

自動車OEMとTier 1サプライヤーは、燃費とCO₂排出目標達成のため車両質量削減に取り組んでいます。複合材は多くの領域で軽量化に大きく貢献できるポテンシャルを秘めていますが、コスト、設計課題、未知の加工技術、他材料との競合が障壁となっています。これらを克服するため、多くのプロジェクトが複合材をマルチマテリアル自動車構造に統合し、最大メリットを得る方法を探っています。

複合材で自動車負荷支持構造を軽量化する方法を探るプロジェクトの一つが、Clemson大学（米国サウスカロライナ州クレムソン）複合材センター、Clemson大学国際自動車研究センター（CU-ICAR）、Honda R&D Americas（米国オハイオ州レイモンド）により実施され、デラウェア大学複合材センター（CCM、米国デラウェア州ニューアーク）の支援と、米国エネルギー省（DOE、ワシントンDC）の資金提供を受けています。

プロジェクトの焦点は、主任研究者Dr. Srikanth Pilla氏（Clemson大学自動車工学Jenkins寄付講座教授、学部フェロー）によれば、複合材が超軽量クロージャーシステム（ドア、フード、トランクリッド）を実現し、同時並行で進むパワートレイン技術と空力改善を補完できるかという問いです：「軽量化技術ポートフォリオにおいて、いわゆる『手の届く果実』の多くはすでに実装されています（例：エンジンダウンサイジング）。負荷支持構造クロージャーシステムの領域に、適正価格で効率向上の可能性があると考えています。」

コラボレーションとチームワークが鍵

2016年開始の4年プロジェクトは、DOE公募によるもので、オバマ政権の「グランチャレンジ」シリーズの一環として、自動車排出基準達成を含む多くのトピックで科学工学を推進するものでした。提案依頼では、標準OEMドア比42.5%の軽量化を実現しつつ、同等の衝突性能、耐久性、使用/誤用性能、NVH（騒音・振動・ハーシュネス）性能を維持する車両ドアの設計開発が求められました。軽量ドアの設計手法に関わらず、市販材料システムを使用し、年産20,000台以上の生産規模に対応することが必須条件でした。

HondaがプロジェクトのOEMアドバイザーとして参加したのは、「究極的に排出ゼロ社会を創造する」というビジョンと合致したためです、とHonda R&D Americas先進計画・検証車両開発基盤部門主任エンジニアSkye Malcolm氏。Hondaは独自の制約も追加しました：「チームが開発するドア設計は、ベースラインドアと同じシール形状を使用し、同等の機能装備を備え、ベースラインと区別できないClass A仕上げを提供し、Hondaの耐久性・経年変化要件を満たす必要があります。」チームは追加目標として、ドアを100%リサイクル可能にすることを掲げました。おそらく最も重要なのは、DOEがベースラインドア比の軽量化1ポンドあたり最大許容コストを5ドルと義務付けたことです。典型的なAcura MDXドアが31.8kgの場合、42.5%軽量化で目標重量18.3kgとなり、（軽量化1ポンドあたり5ドルで）複合材ドアはドアコストに150ドルしか上乗せできないことを意味します。

Pilla氏を支えるのは、複数の学部生・大学院生、Clemson大学工学力学教授Dr. Gang Li氏、デラウェア大学CCMのマルチマテリアル複合材専門家Drs. Bazle HaqueとShridhar Yarlagadda氏です。プロジェクト共同主任研究者のYarlagadda氏は、「Hondaは我々の取り組みに不可欠な存在で、HPC計算支援と全分野のHondaエンジニアへのアクセスを含む、例外的なレベルのコラボレーションとコミットメントを提供してくれました。設計、製造、複合材部品の統合は、多くの顧客駆動型『ソフト』要件と組み合わせて受け入れ可能なシステム設計を創る必要があり、Hondaの支援なしでは不可能でした。」と語ります。この感覚は他のチームメンバーも共有しており、Pilla氏は「単純な材料置換は解決策になりません。システムアプローチが必要で、Hondaがドアシステムの全要素をコンポーネントレベルまで理解するのを助けてくれました。まさに、彼らのパートナーシップと関与は比類なきものです。」と付け加えます。

新しいドアの設計

初期分析では、限定市場モデル向けの他OEM軽量クロージャー取り組みをベンチマークしました。Audi A8のアルミニウムドアフレーム、Porsche Panameraのマグネシウムドアフレーム、BMW i8のカーボンファイバー強化熱硬化性ドアフレームなどです。しかし、これら従来OEMアプローチのいずれも、本プロジェクトのコストと重量目標を満たしていませんでした。Pilla氏は「未来に貢献し、循環型経済に寄与するものに関わりたかった。熱可塑性ドアは未挑戦で、リサイクル可能になる」と語ります。他候補材料（熱硬化性複合材、アルミニウム、鋼）と比較しても、熱可塑性材料はリサイクル性だけでなく、生産目標達成に向けた高速加工速度（熱硬化性比）で高い軽量化ポテンシャルを提供します。

元のAcura MDXドアをベースラインとして（図1）、チームは材料構成を分解：金属62%、剛性ネートポリマー21%、ガラス13%、エラストマー4%。最大の軽量化機会（60%）は金属ドアフレームからで、ベースライン15.4kgから目標6.2kgへ削減を意図。ドア内部部品と電子機器（ラジオスピーカー、ウィンドウ昇降サーボ、ドアロック等）での軽量化余地はありませんでしたが、ウィンドウガラス重量を20%削減可能（薄肉化だがNVHと耐久性目標を損なわない）、ドア内面トリム要素を30%削減または排除可能と判断しました。

プロジェクト主要タスクは最初の2年間並行実行されました。一部メンバーは材料データ生成、他メンバーはドア設計詳細に取り組みました。材料データグループは、連続テープ、マット、短繊維・長繊維強化ポリマーなど多様な熱可塑性材料の材料試験データを生成し、インナーフレームとアウターパネルの候補材料を決定。材料は複数の業界サプライヤーパートナーから提供されました。データはレーダーチャートで評価：総合強度、せん断強度、許容コスト、許容密度、剛性、靭性を軸としました。

初期データ評価で最も性能が良かった材料オプション（連続ファイバーテープと長繊維強化熱可塑性ペレット）は材料モデリングを実施。Pilla氏：「連続ファイバーテープでは、フックの法則に基づき単純な直交異方性材料剛性マトリックスを構築可能でした。」一方、長繊維強化ポリマーでは、最終部品形状と金型充填プロセスの両方によって導入される異方性のため、射出成形ドア部品の強度と剛性を予測するために二次シミュレーションが必要でした。Pilla氏：「これら長繊維材料のモデリングは難しく、シミュレーション研究があまり進んでいません。」必要データを得るため、チームは製造最適化ループを開発。Dassault Systèmes（米国マサチューセッツ州ウォルサム）SolidWorks 3D設計ソフトでドアのインナーフレームとアウターパネルの汎用部品形状を生成、Moldex（台湾竹北市）Moldex3Dソフトで金型充填シミュレーションを実施し溶融流動ベクトルを決定、e-Xstream（ルクセンブルク・オートシャラージュ、Hexagon傘下）Digimatソフトで溶融流動ダイナミクスと衝突を分析し繊維配向を決定、マッピングされた繊維配向でAltair Engineering Inc.（米国ミシガン州トロイ）HyperWorks CAEソリューションの材料カードを用いた有限要素解析（FEA）ツールで剛性マトリックスを生成。部品形状の修正と材料試験のたびに最適化ループを繰り返しました。

並行して、他チームメンバーが実際のドアコンセプト開発、最終的には金型・製造シミュレーションに取り組みました。ラフスケッチと高レベル材料選定から開始し、多様な設計を作成。ラフCADモデル生成、簡易静的荷重ケースでの初期FEAシミュレーション実施。2016年秋、CU-ICARで設計ワークショップ開催し、ドアコンセプトを7つに絞り込みさらなる検討へ。Pilla氏：「当初からの設計哲学は、部品と材料の機能統合最大化、部品点数最小化、最適化による材料利用効果最大化、組立簡素化でした。」

この時点で詳細CADモデル生成、各コンセプトのHonda目標準拠静的性能検証のためのFEAシミュレーション実施。製造容易性とサブシステム統合を考慮し、Concept 7（スペースフレームアプローチ）がConcept 2（一体構造フレーム）へ収束し始めたため、チームはスペースフレームアプローチの教訓を取り入れConcept 2を継続することに。このコンセプトは4要素で構成：外側Class Aパネル、ドア内部機構、インナーフレーム/パネル、内装トリム要素。

マルチマテリアルインナー、Class Aアウター

チームは2018年中盤に最終ドア設計の材料と製造プロセスを選定、2019年1月15日に設計凍結、金型製造と試作を開始。図2は1.2mm厚インナーフレームとその構成要素の詳細（外側Class Aパネルは未表示）。「ベルトライン」とはウィンドウガラス下端で形成されるスタイリングラインで、成形複合材パネルを支えるためリブを配置。Pilla氏によれば、サイドインパクト時の乗員保護用アンチイントルージョンビームは、全体ドア重量を抑えるため鋼材のまま—同性能の複合材ビームは重すぎる。設計の鍵となる要素の一つが、インナーフレームとアウターパネル接続用ファスニングシステム。Pilla氏：「アウタClass Aパネルは組立ライン末端でドアに取り付けられ、アソシエイトが事前にドア内部機構を容易に取り付けられ、組立時のClass A表面損傷も防止できます。」インナーフレームの成形スナップフィット機能はY方向製造公差に対応可調、金属ファスナー用スロット穴は組立時のX、Z方向製造公差を吸収します。

軽量化のため、現在のドア設計には従来の内装トリムパネルがありません。代わりに、射出成形マップポケット、天然木をABS樹脂でバックモールディングしたアームレスト、フォーム積層レザーパッドなど少数の機能的成形部品を設計。これら合計1.34kg、ベースライン内装パネル3.49kg比で軽量化。Pilla氏は設計最適化で更なる軽量化を見込んでいます。

現在、静的荷重ケースと複合材ドアが耐えなければならない動的衝突荷重の両方をモデル化するため、FEA解析と最適化を進行中。静的荷重ケースだけでも困難で、ドアたわみ、ベルトライン剛性、ミラーマウント剛性、ドアハンドル引張剛性などが含まれます。動的荷重試験は、連邦自動車安全基準（FMVSS）214準静的ポール試験（車両ドアがポールで18インチ内側へ押し潰される（ルーフとボディを外れて）全最小力要件維持）で構成されます。「このケースは他の2衝突試験（75° FMVSS第5パーセンタイル女性（AF5）ポール試験とIIHS側面衝突評価（SICE）試験）より計算負荷が低く、より多くの設計実験と最適化ループが可能です」とPilla氏。

Gang Li氏追加：「複合材製造プロセスと構造性能シミュレーションの最適化アルゴリズムとの統合は、興味深くも挑戦的です。課題はシステムの複雑さと計算規模にありますが、この統合により構造、材料、製造プロセス設計空間が融合し、軽量化と性能向上の更なる機会が生まれます。」このポール試験荷重ケースをクリアすれば、他の2ポール試験と側面衝突試験にも近づくと同氏。

「これまでのテストでは複合材ドアが連邦要件を容易にクリアしますが、ベースラインAcuraドアの包括的性能は要件より遥かに高いです」とPilla氏。これまでのFEA結果では、軽量複合材ドアがベースラインドアより多くのエネルギーを吸収（23.59 kJ vs 15.34 kJ）し、Pilla氏はこれを複合材の初期降伏点後の追加変形エネルギー吸収能力に起因すると分析。しかしシミュレーションでは、アウターベルトラインリブとインナーフレーム補強アーキテクチャの改善余地が示されています。

初期プロジェクトタイムライン残り1年で、グループは製造シミュレーションと金型アプローチ生成、量産スケールアップ用量産計画と生産ライン推定コスト作成、衝突・機械性能試験、フィット・仕上げ試験、加速経年試験用プロトタイプ製作を行っています。

Pilla氏：「複合材ドアはまだ目標未達で、パネル厚の関係で完全に最適化されていません。鋼ベースラインより大幅に軽いものの、42.5%軽量化目標には未到達ですが、達成可能と楽観視しています。」フィット・機能試験用プロトタイプドアが間もなく完成。プロジェクトチームは、このドア向けに開発された材料と技術が他自動車部品（ボルトオン部品、ボディインホワイト部品など）へ容易にスケール可能で、複合材プロセスの比較的低い設備投資コストが新規OEMとサプライヤーの技術導入を可能にすると考えています—自動車複合材の勝利です。