連続テープとD-LFTを組み合わせた新圧縮成形プロセス、軽量EVボディを実現

ドイツ連邦教育研究省（BMBF）が主導する複数年の公的研究プログラム「SMiLE（電動モビリティ向けシステム統合型マルチマテリアル軽量設計）」は、複合材と非鉄金属を組み合わせ、バッテリー電気自動車（BEV）のボディインホワイト（BIW）構造全体の質量とコスト削減を目指しました。リアフロアモジュールは、2種類の熱可塑性複合材に金属プロファイルとインサートを組み合わせて設計されています（詳細は『CW』2018年12月号フォーカスオンデザイン参照）。このロードフロアを迅速かつコスト効率よく生産するため、新たなワンステップ圧縮成形サブプロセスと、熱可塑性テープを急速加熱・統合する新技術が開発されました。

UDテープ + D-LFT

ハイブリッド複合材のリアロードフロアには、単方向（UD）熱可塑性テープと直接長繊維熱可塑性（D-LFT）複合材が使用されています。熱可塑性テープは薄く軽量な構造で高い剛性・強度を提供し、クラッシュ時の高い座屈荷重に耐えます。一方D-LFTは複雑な形状の成形、機能統合・部品集約、金属取り付け部位のインサート成形を可能にします。BASF SE（ドイツ・ルートヴィヒスハーフェン）製のガラス繊維40wt%強化ウルトラミドB3Kポリアミド6（PA6）D-LFTと、ガラス繊維60wt%充填ウルトラテープB3WG12 PA6の8層が採用されました。

D-LFTは射出成形・圧縮成形の両方が可能で、テープ積層材は射出オーバーモールド可能ですが、両材料とも一般的に圧縮成形されます。これは自動車業界でよく理解されたプロセスであり、SMiLEプログラムの目標である日産300台を支える十分な設備能力が地域的・グローバルに存在します。

UDテープとD-LFTを同一パーツで組み合わせる一般的な手法は2つあります。1つは、主にD-LFTで構成される構造体の負荷経路にテープを選択的に追加し機械的特性を向上させる「テーラードD-LFT」です。これは連続繊維ロービングをテープと併用または代替して使用することもできます。もう1つは、テープとD-LFTをパーツの対向する側面にそれぞれ配置する手法です。前者では、流動性の高いD-LFTがオーバーモールド時に薄いテープを押し出して位置ズレを起こしやすく、金型内でクリップなどのハードウェアでテープ位置を保持する必要があります。主にD-LFTの構造にテープを選択的に使う方が低コストですが、テープ比率の高いパーツほど強度と軽量化の面では優れています。後者の手法では、D-LFT側でより良い機能統合・部品集約が、UDテープ側でより高い剛性・強度が得られます（詳細は「ハイブリッド熱可塑性成形：自動車複合材のタフニング」参照）が、結果として構造は依然として比較的重く、最大限の剛性・強度は得られません。

車両ロードフロアは安全上重要な部品であるため、SMiLE研究者たちは従来の全金属や新しいハイブリッド複合材ロードフロアの軸方向側面に取り付けられた金属プロファイルだけでなく、熱可塑性複合材リアロードフロア全体でクラッシュエネルギーを吸収させたいと考えました。また、重量とコストの両方を削減し、薄肉ながら衝撃時の座屈を防ぎ、後部シートベルト取り付け点など主要箇所に機能を付加することも目標でした。そこで、ロードフロアの大部分を熱可塑性テープ（事前にラミネートへ統合）で構成し、テープラミネートだけでは形成不可能なリブや複雑形状が必要な箇所にのみD-LFTを選択的に適用する、新しいD-LFT/圧縮成形サブプロセスを開発しました。

チームはまた、1.3m×1.3mのリアロードフロアを圧縮成形プレス内で「単一ステップで」製造することを目指しました。これら全ての目標を実現するため、革新的なツーリングとシーケンシャル成形プロセスの組み合わせが必要でした。

局所的高度テーラードLFT

リアロードフロアの最終設計は、UDテープを事前統合したラミネートからなる薄肉・ニアネットシェイプ構造です。部品の縦方向に大きな波形形状（コルゲーション）を設け、低質量・薄肉で高強度を実現しています。しかし、これらのコルゲーションを大型ラミネートで成形するのは困難であることがわかっていました。良好なドレープ性を確保するため、シミュレーションを用いて金型設計を行い、コルゲーション（高さ50mm、幅115mm）の再現性ある成形とシワの最小化を検証しました。もしコルゲーションが正しく成形されなければ、ラミネートにシワが寄ったり面外へ変位したりし、D-LFTとの結合強度が低下します。バーチャルプロトタイピングにより、内側/中央から外側へ向かって順次成形するのが最適であると予測されました。これはハンドレイアップで典型的に行われる手順に似ています。このシーケンシャル成形をメインプレス外での予備成形なしで単一成形ステップで行う唯一の方法は、ツーリングアクション（スライド）を使用することでした。

スライドは非常に複雑な射出成形金型では一般的です。圧縮成形でも未知ではありませんが、使用されることは少なく、使われる場合もはるかに単純です。研究者たちは、6つの可動キャビティ（4つのスライドを使用）を備えた金型を設計し、D-LFTでオーバーモールドするのではなく、ラミネート内でコルゲーションやその他の構造を直接成形することで、パーツの質量と厚みの大幅な増加を防ぎました。

ラミネート/D-LFTリブ接合部の界面強度に関する先行研究では、オーバーモールド前にラミネート温度をPA6の融点（約230℃）未満の130℃以上に維持し、D-LFTを280℃（PA6融点以上）で金型へ供給することで、優れた結合強度が得られることが示されていました。D-LFTチャージが配置される前にラミネートが金型に接触して急冷するのを防ぐため、キャビティ側の金型に完全に突き出したイジェクタピン上にラミネートを載せました。2つのD-LFTチャージが供給されると、イジェクタピンが下がり金型が閉じ始めます。次に4つのスライド（うち3つはプレスの油圧システムで、1つはばね作動で動作）が順次伸びてラミネートを成形し、深いコルゲーションを含む形状を作ります。プレスが完全に閉じると、D-LFTリブ構造（複雑なX字格子状）が成形されます。研究者たちはこのシーケンシャル成形技術を「局所的高度テーラードLFT」と呼びました。

従来の圧縮成形金型設計からのもう一つの脱却として、D-LFTがパーツ端部へ流れる箇所のみにシアーエッジを設け、バルクを占める流動性のないテープラミネートに対して、選択的に流動性のあるD-LFTチャージを成形するようにしました。

放射誘起真空統合技術

最終パーツの再現性ある成形挙動と高い機械的性能を確保する重要なプロセスステップがテープ統合です。熱可塑性テープ積層材を成形直前に急速加熱することで、積層材内部および層間のボイドを除去し、優れた統合/繊維含浸を達成します。この工程が律速段階にならないよう、自動熱可塑性テープ積層（ディッフェンバッハー社製Fiberforge RELAYテープ積層機）の速度、および圧縮プレス（同社製3,600トンCompress Plus DCP-G 3600/3200 ASプレス）の成形サイクルに速度を合わせました。

SMiLE以前、フラウンホーファー化学技術研究所（F-ICT、ドイツ・フィッツタール）は、UDテープ積層材をラミネートへ急速統合する「放射誘起真空統合技術」を開発しており、これがリア熱可塑性ロードフロアの製造に適用されました。ディッフェンバッハーはこの技術を「Fibercon」という装置として商品化しています。このプロセスは、テープの含浸欠陥を修復するよう設計されており、より低コストなテープを使用しながら最終パーツのボイドを最小限に抑えられます。IR透過性ガラス板上に置かれた積層材の最上層と最下層に大量の赤外線（IR）熱を照射し、積層材全体を真空下に保持します。これにより空気を除去し、樹脂を流動させ、テープ内部および層間の隙間を充填します。加熱は短時間のみ行われるため、積層材を所定位置から動かすことなくテープ同士を接着・凝固させられます。また、積層材全体を高速かつ均質にラミネートへ統合し、高く一貫した特性を得られるため、成形挙動の再現性とシミュレーションの容易さ、最終パーツの高い機械的特性が確保されます。もう一つの懸念は、統合済みラミネートをプレスへ搬送中に熱をいかに保持するか、再加熱によるエネルギー浪費なしに良好な成形特性を確保するかでした。統合後、融着したラミネートはプレスへ移送される直前に再び急速加熱されます。

最終プロセスシーケンス

リアロードフロアの最終プロセスシーケンスは、うち3台がワークセル内で同時に稼働する4台の装置で行われます。

1. まず、シミュレーションで決定されたオリエンテーションで、Fiberforge RELAYテープ積層システムによりテープが自動積層されます。インデックステーブルにより、積層材の各層でテープをほぼ任意の方向に配置できます。各層の個々のテープはスポット溶接で下層に軽くタック固定され、最下層は積層中に真空で保持されます。テープが各層の各ピースごとに個別にカットされるため、廃棄物は最小限で、成形後のトリミングも最小限です。また、タック固定前にテープ端部をトリミングすることで、積層材に穴/窓を形成でき、成形後トリミングのさらなる削減とスクラップ・コスト低減につながります。
2. 次に、積層材をFiberforge RELAYマシンからFiberconマシンへ移し、同装置のガラス板間にセットします。装置が閉じると積層材に真空が引かれ、上下のプレートを通じて短時間IR熱が照射され、PA6マトリックスが融点（約230℃）以上に急速加熱され、樹脂が流動しボイドが除去されます。その後、樹脂の結晶化温度（約180℃）以下まで冷却し、個々のテープを単一ラミネートへ統合します。
3. 直前のパーツを排出したばかりの圧縮プレス内では、イジェクタピンを突き出したままにし、次の材料が到着するのを待ちながら、研究者が手作業で2本のアルミプロファイルと複数の金属インサートを金型の上側/コア側へ装着します。
4. Fibercon内の高温ラミネートを再びPA6融点以上まで加熱し、装置を開いてラミネートをオープンした圧縮プレスへ移載します。空気は鋼鉄より熱伝導率が低いため、ラミネートをキャビティ側の完全に突き出したイジェクタピン上に載せ、D-LFTチャージが到着するまでラミネートの熱を保持させます。
5. テープ積層と統合が進行する間、近くでD-LFT材料が2台の押出機（ディッフェンバッハー社製In-Line Compounderシステム）でコンパウンドされます。第1押出機で樹脂と添加剤を混合し、第2押出機で繊維を所望長にチョッピングして樹脂/添加剤と混合し、完全に混合された予め計量された高温D-LFTチャージを生成、圧縮プレスへ供給します。ロードフロアの場合、イジェクタピンを収納してラミネートを金型へ降ろす際に、2つのD-LFTチャージがラミネート上に配置されます。
6. より高温のD-LFTチャージがより低温のラミネート上に乗った状態で、プレスが閉じ始めると4つのスライドが順次展開し、ラミネートを完全な金型閉鎖に先立ってプリ成形します。スライドの順次作用により、コルゲーションを含む3D形状が形成される際のラミネートのシワを防ぎます。上型が完全に閉じると、テープラミネートが完全に成形され、高温D-LFTチャージが1,430 MTでリブ格子構造へ成形されます。完全に統合された金属インサートを備えた完成パーツが、プレス開放後に排出されます。

量産環境では全てのマテリアルハンドリングをニードルグリッパー装着のガントリーロボットで行いますが、SMiLE研究プログラムでは手作業で実施しました。研究プログラムでは総成形サイクル240秒（ロードフロアの厚いリブ成形により低速）でしたが、研究者たちは量産環境では更なる金型改良によりサイクルタイムを100秒以下に短縮可能と考えており、ラミネートをプレス投入前に予備成形すればさらに短縮できると見ています。