自動車用複合材料の最初の熱可塑性ドア

自動車OEMとTier1は、燃費と炭素排出量の目標を達成するために車両の質量を減らす必要性に取り組んでいます。複合材料は、多くの分野でこの軽量化の推進に大きく貢献する可能性がありますが、コスト、設計上の問題、見慣れない処理、および他の材料との競争が引き続き障害となっています。これらを克服するために、多くのプロジェクトが、複合材料をマルチマテリアルの自動車構造に統合して最大の利益を得る方法を調査しています。

コンポジットが自動車の耐荷重構造をどのように低減できるかを扱う1つのプロジェクトが、クレムソン大学（クレムソン、SC、米国）コンポジットセンター、クレムソン大学国際自動車研究センター（CU-ICAR）、およびHonda R＆D Americas（レイモンド、オハイオ州）によって実施されています。 、米国）、デラウェア大学複合材料センター（CCM、ニューアーク、DE、米国）からのサポート、および米国エネルギー省（DOE、ワシントン、DC、米国）からの資金提供。

プロジェクトの焦点は、自動車工学のジェンキンス寄贈教授であり、クレムソンのディーンのファカルティフェローである主任研究員のDr. Srikanth Pillaは、複合材料が超軽量の閉鎖システム（ドア、フード、トランクリッド）を可能にするかどうかの問題であると言います。パワートレイン技術とより優れた空気力学の同時進歩を補完します。「軽量化のための技術ポートフォリオ内で、エンジンのダウンサイジングなど、「手に負えない成果」の多くがすでに実装されています。耐荷重性のある構造的閉鎖システムの分野では、リーズナブルな価格で効率が向上する可能性があると考えています。」

コラボレーション、チーム化が重要です

2016年に開始された4年間のプロジェクトは、自動車の排出基準を満たすことを含む多くのトピックに関する科学と工学を促進するためのオバマ政権の一連のグランドチャレンジの一部であるDOEの勧誘として実現しました。提案依頼書では、標準のOEMドアに比べて42.5％の軽量化を実現しながら、同様の衝突性能、耐久性、使用/誤用性能、および同様の騒音、振動、ハーシュネス（NVH）性能を維持する車のドアの設計と開発を求めました。 。また、軽量ドアの設計方法に関係なく、市販の材料システムを使用し、年間少なくとも20,000台の車両の生産量に拡張する必要がありました。

Honda R＆DAmericasのAdvancedPlanning＆Verification Vehicle DevelopmentFoundationsの主任エンジニアであるSkyeMalcolmは、このプロジェクトが「最終的に排出ガスのない社会を構築するという私たちのビジョン」に沿っているため、Hondaが研究プロジェクトのOEMアドバイザーとして参加しました。ホンダはまた、プロジェクトに独自の制約を追加しました。「チームが開発するドアの設計は、同じシーリングジオメトリを使用し、ベースラインドアと同じ機能機器をすべて備え、クラスAの仕上げを提供する必要があります。ベースラインであり、ホンダの耐久性と経年劣化の要件を満たしています。」チームは、ドアを100％リサイクル可能にするという追加の目標を設定しました。おそらく最も重要なのは、DOEが、（ベースラインドアを超えて）節約された重量1ポンドあたりの最大許容コストを5ドルにすることを義務付けたことです。これは、典型的なアキュラ MDX ドアの重量が31.8kgの場合、42.5％の重量削減により、全体の目標重量は18.3 kgになります。これは、複合ドアが追加できることを意味します。 ドアの費用に150ドル。

このプロジェクトでPillaをサポートしているのは、数人の学部生と大学院生、クレムソン大学の工学力学の教授であるGang Li博士、およびDrsです。デラウェア大学CCMのBazleHaqueとShridharYarlagaddaは、マルチマテリアル複合材料の専門家です。プロジェクトの共同主任研究員であるYarlagaddaは、次のように指摘しています。複合コンポーネントの設計、製造、統合は、受け入れ可能なシステム設計を作成するために、顧客主導の「ソフト」要件の数と組み合わせる必要があります。これは、Hondaのサポートなしでは不可能でした。」この感情は他のチームメンバーによって共有されており、Pilla氏は次のように付け加えています。システムアプローチを検討する必要があり、Hondaは、コンポーネントレベルまでのすべてのドアシステム要素を理解するのに役立ちました。確かに、彼らのパートナーシップと関与は比類のないものです。」

新しいドアの設計

初期分析には、アウディの A8 用のアルミニウム製ドアフレームなど、限られた市場モデル向けの軽量クロージャーでの他のOEMの取り組みのベンチマークが含まれていました。 モデル、ポルシェパナメーラ マグネシウムドアフレームとBMWの i8 炭素繊維強化熱硬化性ドアフレーム。ただし、これらの以前のOEMアプローチはいずれも、このプロジェクトのコストまたは重量の目標を達成していませんでした。ピラは、次のように述べています。「私は、将来に利益をもたらし、サーキュラーエコノミーに貢献する何かの一部になりたかったのです。熱可塑性のドアはこれまで試みられたことがなく、リサイクル可能でした。」熱可塑性樹脂は、熱硬化性複合材料、アルミニウム、鋼などの他の候補材料と積み重ねると、リサイクル性だけでなく、生産目標を達成するための軽量化と処理速度の高速化（熱硬化性樹脂と比較して）の可能性が非常に高くなります。

オリジナルのアキュラ MDX ドアをベースラインとして（図1）、チームはその材料の組み合わせを分解しました：62％の金属、21％の硬質のニートポリマー、13％のガラス、4％のエラストマー。軽量化の最大の機会である60％は、金属製のドアフレームからもたらされます。これは、チームがベースライン重量の15.4kgから目標重量の6.2kgに減らすことを目的としていました。ドアの内部部品や電子機器（ラジオスピーカー、窓を上下させるためのサーボ、ドアロックなど）の重量を減らす機会はありませんでしたが、チームは窓ガラスの重量を20％減らすことができると判断しました。ガラスは薄くなりますが、NVHと耐久性の目標指標を損なうことはありません。さらに、チームは、ドアの内面のトリム要素の重量を30％削減するか、さらにはなくすことができると推定しました。

プロジェクトの主要なタスクは、最初の2年間同時に実行されました。一部のチームメンバーは材料データの生成に取り組み、他のメンバーはドアの設計の詳細に取り組みました。材料データグループは、さまざまな熱可塑性プラスチック（連続テープ、マット、短繊維強化ポリマー、長繊維強化ポリマーなど）の材料テストデータを生成して、内部フレームと外部パネルの候補材料を決定しました。材料は、多く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、全体的な強度、せん断強度、許容コスト、許容密度、剛性、および靭性がチャート軸を構成するスパイダーチャートを介して評価されました。

初期データ評価後の最高性能の材料オプション（連続繊維テープと長繊維強化熱可塑性ペレット）は、材料モデリングを受けました。Pillaは次のように説明しています。「フックの法則に基づいて、連続繊維テープの単純な直交異方性材料剛性マトリックスを構築することができました。法。"ただし、長繊維強化ポリマーの場合、最終部品の形状と金型充填プロセスの両方によって異方性が生じるため、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氏は、「シミュレーションで多くのことが行われていないため、これらの長繊維材料のモデリングは困難です」と付け加えています。必要なデータを収集するために、チームは製造最適化ループを開発しました。ドアの内側フレームと外側パネルの一般的な部品形状は、DassaultSystémes（米国マサチューセッツ州ウォルサム）のSolidWorks3D設計ソフトウェアを使用して生成されました。これらの形状の金型充填シミュレーションは、Moldex（台湾、竹北市）のMoldex3Dソフトウェアを使用してメルトフローベクトルを決定するために実施されました。メルトフローダイナミクスと共謀を分析して、e-Xstream（Hautcharage、Luxembourg、Hexagoncompany）のDigimatソフトウェアを介して繊維配向を決定しました。マッピングされた繊維配向を使用して、Altair Engineering Inc.（米国ミシガン州トロイ）のHyperWorks CAEソリューションが提供する材料カードを含む有限要素解析（FEA）ツールを使用して剛性マトリックスを生成しました。部品の形状が変更され、材料がテストされると、最適化ループが複数回繰り返されました。

同時に、他のチームメンバーが実際のドアのコンセプト開発に取り組み、最終的には工具と製造の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の素材選択から始めて、さまざまなデザインが作成されました。次に、単純な静的荷重の場合の初期FEAシミュレーションとともに、大まかなCADモデルが生成されました。 2016年の秋に、チームがさらなる作業のためにドアのコンセプトオプションを7つに絞り込んだデザインワークショップがCU-ICARで開催されたとPillaは言います。 「当初からの私たちの設計哲学は、部品と材料の機能統合を最大化し、部品数を最小化し、最適化を通じて利用される材料の有効性を最大化し、組み立てを簡素化することでした」とPilla氏は言います。

この時点で、詳細なCADモデルが生成され、各コンセプトに対してFEAシミュレーションが実行され、Hondaの目標に準拠した静的パフォーマンスが検証されました。サブシステムの製造可能性と統合を考慮して、コンセプト7（スペースフレームアプローチ）はコンセプト2（ワンピース構造フレーム）に向かって収束し始めたため、チームはスペースフレームアプローチから学んだ教訓を取り入れてコンセプト2を続行することを決定しました。そのコンセプトは、外側のクラスAパネル、ドアの内部、内側のフレームまたはパネル、および内側のトリム要素の4つの要素で構成されています。

マルチマテリアルインナー、クラスAアウター

チームは2018年半ばに最終的なドアの設計に材料と製造プロセスを選択し、2019年1月15日に設計を凍結しました。工具の製造とプロトタイピングが始まりました。図2に、厚さ1.2 mmの内側フレームとそのコンポーネントの詳細を示します（外側のクラスAパネルは表示されていません）。 「ベルトライン」とは、窓ガラスの下端によって形成されるスタイリングラインのことで、成形された複合パネルを支えるために補強材が配置されています。 Pillaは、側面衝突の場合に乗客を保護するための侵入防止ビームは、ドア全体の重量を低く抑えるために鋼に残さなければならなかったと述べています。同じ性能の複合ビームは重すぎたでしょう。設計の重要な要素の1つは、内部フレームを外部パネルに接続するための固定システムです。 Pilla氏は次のように説明しています。「外側のクラスAパネルは、組み立てラインの最後でドアに取り付けられます。これにより、従業員はドアの内部を事前に簡単に取り付けることができ、組み立て中にクラスAの表面が損傷するのを防ぐことができます。」内側フレームの成形スナップフィット機能は調整可能で、Y方向の製造公差に対応し、金属ファスナー用の長穴は、組み立て中にXおよびZ方向の製造公差を補正するのに役立ちます。

軽量化を支援するために、現在のドアデザインには従来のインテリアトリムパネルがありません。代わりに、射出成形されたマップポケット、ABSプラスチックでバックモールドされた天然木のアームレスト、フォームでラミネートされた革のパッドなど、いくつかの機能的な成形部品が設計されました。これらの部品を合わせると、ベースラインの内部パネルが3.49 kgであるのに対し、これらの部品の重量は1.34kgです。 Pilla氏によると、チームは設計の最適化により重量を節約できると期待しています。

現在、複合ドアが耐えなければならない静的荷重ケースと動的衝突荷重の両方をモデル化するために、FEA解析と最適化が進行中です。静的荷重の場合だけでも気が遠くなり、ドアのたるみ、ベルトラインの剛性、ミラーマウントの剛性、ドアハンドルの引っ張りの剛性などが含まれます。 Pilla氏によると、動的負荷テストは、現在、連邦自動車安全基準（FMVSS）214の準静的ポールテストで構成されています。このテストでは、車両のドアがポール（屋根とボディを外す）によって18インチ内側に押しつぶされます。すべての最小力要件が維持されている間、「このケースは、他の2つの衝突テスト[75°FMVSS 5 ^th ]と比較して、計算量が最も少なくなります。 パーセンタイル女性（AF5）ポールテストおよび米国道路安全保険協会の側面衝撃基準評価（IIHS SICE）テスト]。これにより、より多くの計画実験と最適化ループを実施できるようになります。」

Gang Li氏は次のように付け加えています。「複合材製造プロセスと構造性能シミュレーションを最適化アルゴリズムと統合することは、興味深く、やりがいのあることです。課題はシステムの複雑さと関連する計算の規模にありますが、このような統合により、構造、材料、製造プロセスの設計スペースが統合され、軽量化とパフォーマンスの向上の機会が増えます。」そして、このポールテストの荷重ケースを満たすことは、ドアが他の2つのポールと側面の衝撃テストを満たすことに近いことを意味します。

「これまでのテストでは、複合ドアは連邦政府の要件を簡単に満たすことが示されていますが、ベースラインのAcuraドアの包括的なパフォーマンスはそれらの要件よりもはるかに高くなっています」とPilla氏は言います。これまでのFEAの結果は、軽量の複合材ドアがベースラインドア（23.59 kJvs.15.34 kJ）よりも多くのエネルギーを吸収することを示しています。これは、Pillaが初期降伏点以降の追加の変形エネルギーを吸収する複合材の能力に起因します。しかし、シミュレーションでは、外側のベルトライン補強材と内側のフレームの補強構造の両方に改善を加えることができることが示されています。

プロジェクトの最初のタイムラインは残り1年で、グループは製造シミュレーションとツールアプローチを生成しています。生産ラインのスケールアップと推定コストのための大量生産計画を作成します。クラッシュおよび機械的性能テスト、適合および仕上げテスト、加速劣化試験用のプロトタイプを作成します。

ピラ氏は次のように述べています。「パネルの厚さが原因で、複合ドアはまだ目標を達成しておらず、完全に最適化されていません。鋼のベースラインよりもはるかに軽量ですが、42.5％の軽量化目標はまだ達成されていませんが、達成できると楽観視しています。」適合および機能テスト用のプロトタイプドアがまもなく準備されます。プロジェクトチームは、このドア用に開発された材料と技術を他の自動車部品（たとえば、ボルトオン部品やボディインホワイト部品）に簡単に拡張でき、複合プロセスの比較的低いインフラストラクチャコストで新しいものを実現できると考えています。これらのテクノロジーを実装するOEMとサプライヤー—自動車用複合材の勝利。