ハイブリッド熱可塑性複合材が自動車設計におけるロードフロア衝撃耐性を向上

ドイツの「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（SMiLE）」コンソーシアムによる野心的な複数年プログラムが、より大きなハイブリッドボディインホワイト（BIW）構造の一部となるデモンストレーター用自動車ロードフロアモジュールを開発しました。このバッテリー電気自動車（BEV）のリアロードフロアは、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加えた構成で、トランクおよび後部乗員室の床として機能します。接着と機械的結合により、第2のハイブリッド/熱硬化性複合材ロードフロア（金属インサートとポリウレタンフォームコアを含む局所サンドイッチ構造を持つカーボンファイバー強化エポキシからなる樹脂移動成形（RTM）品）と接合され、こちらは車両前半分の床兼バッテリーホルダーです。ロードフロアモジュール全体はアルミニウム製ロッカー/サイドレールに接着・ネジ止めされ、それらは車両のアルミニウムモノコックのクロスビームにボルト止めされます。ロードフロアモジュールデモンストレーター全体は、日産300台の量産車両向けに質量削減と大幅なクラッシュエネルギー吸収を提供するよう設計されています。

設計の意思決定

リアロードフロアに取り組んだコンソーシアムメンバーには、自動車メーカーのアウディAG（ドイツ・インゴルシュタット、SMiLEプログラム全体のリーダーでもある）とその親会社フォルクスワーゲンAG（ドイツ・ヴォルフスブルク）、カールスルーエ工科大学車両システム技術研究所（KIT-FAST、ドイツ・カールスルーエ）、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、フロントおよびリアロードフロアプロジェクトのリーダー）、フラウンホーファー材料力学研究所（F-IWM、ドイツ・フライブルク）、熱可塑性複合材サプライヤーのBASF SE（ドイツ・ルートヴィヒスハーフェン）、機械メーカーのディッフェンバッハーGmbH（ドイツ・エッピンゲン）、金型/成形メーカーのフリモグループGmbH（ドイツ・ロッテ）が含まれます。

リアロードフロアを熱可塑性複合材と金属インサートで製造する決定がなされました。チームはトランク機能と後部シートベルト取り付け構造を追加しつつ、ロードフロア自体で大幅なクラッシュエネルギーを吸収させたいと考えました。通常、自動車メーカーは金属製ロードフロアの側面にある金属プロファイルを主に頼りに、乗用車の後方衝突エネルギーを管理しています。しかし、熱可塑性複合材の衝撃強度を考慮すると、複合材ロードフロアの全幅・全長をクラッシュ負荷管理に利用できるのではないか、より高いクラッシュエネルギーを吸収できるのではないか、と研究者たちは考えました。

研究者たちは一般的な自動車用熱可塑性複合材を見直しました。ポリプロピレン（PP）とポリアミド6（PA6）マトリックスが検討されましたが、リアロードフロアがBIWと共に高温電着塗装（エコート）防錆プロセスを通過するため、PPは耐温性の観点から除外されました。最高の剛性と強度を得るには連続繊維強化が必要であり、予備試験は布強化オルガノシート（ガラスマット熱可塑性（GMT）複合材の一形態）と単方向（UD）熱可塑性プリプレグテープに焦点を当てられました。多くの理由から、テープが更なるプロトタイピングに選ばれました。

研究者たちはリアロードフロアの形状が複雑になることを認識していました。自動テープ積層（ATL）マシンを使用すれば、UDテープを任意の方向に配置でき、オルガノシートより少ない材料で窓/穴を形成できるため、スクラップ、質量、コストを削減し、パーツ全体で局所的にも大局的にも繊維を最も効率的に使用できます。また、ATLで配置される繊維は積層材の各層で平行に平らに配置され、織物のように織られていないため、繊維のうねりによる剛性・強度の損失がありません。

しかしUDテープには限界があります。比較的高価で、ドレープ性が悪く流動性がほぼないため、複雑な形状への充填が困難です。これらの課題は、流動性があり高レベルの機能統合・部品集約が可能で、繊維ブリッジングなしに複雑なリブ成形が容易であり、かつ大幅なクラッシュエネルギー吸収も可能な、不連続/チョップド直接長繊維熱可塑性（D-LFT）複合材を選択的に使用することで克服されました。D-LFTでは、インサートに予め穴を開けておけば複合材が金属の周囲と内部へ流れ込み、機械的インターロックによる強力な結合が得られるため、金属取り付け部品のインサート成形も容易です。さらに、D-LFTはテープやオルガノシートより低コストで、厚肉部位の成形がはるかに容易です。プレスサイドでコンパウンドするため、材料在庫管理がシンプルになり、開発プログラムでパーツを作り評価する過程で、繊維長・種類、繊維体積率（FVF）、マトリックスなどの材料特性を迅速に変更できます。量産時には材料/プロセス設定を制御して高い繰り返し精度と再現性（R&R）を達成できるため、自動車業界では中〜大量生産でほぼ20年間このプロセスが使用されてきました。

研究者たちはリアロードフロアを薄く軽く保ち、座屈を防ぎながら高い衝撃荷重を吸収させたいと考え、シミュレーションと小型パーツ試験を通じて、ガラス繊維および炭素繊維強化テープとD-LFTを様々な繊維重量分率（FWF）で評価し、機械的性能と充填挙動を比較しました。炭素繊維複合材はガラス繊維より薄く軽く剛性の高い構造を生み出しますが、コストも懸念事項であり、フロントロードフロアで既に炭素繊維強化を採用していたため、フルサイズパーツへのスケールアップ段階でリアロードフロアにはガラス繊維強化を選択しました。BASF製のガラス繊維40wt%ウルトラミドB3K PA6 D-LFTと、ガラス繊維60wt%ウルトラテープB3WG12 PA6の8層が使用されました。

多くのシミュレーション作業を経て、1.3m×1.3mのリアロードフロア最終設計は、UDテープを事前統合したラミネートで構成される薄肉・ニアネットシェイプ構造に、より厚いD-LFTクラッシュゾーンが編み込まれたものとなりました（図2参照）。UDテープ製の大きなコルゲーション（深い溝：高さ50mm、幅115mm）が部品の縦方向に成形され、低質量・薄肉で高剛性を実現しています。また、テープ積層時に2つの窓が形成され、必要な箇所へD-LFTが貫通できるようになっています。深いコルゲーションを大型ラミネートで成形するのは困難なため、良好なパーツを得るには成形プロセスと金型の両方を修正する必要がありました（「自動車フロアモジュール研究が新D-LFT/圧縮成形サブプロセスの開発をいかに推進したか」参照）。これらのコルゲーションと、複雑なリブをX字格子構造で形成する2つのD-LFTチャージが組み合わさり、エリアの高い断面二次モーメントを生み出し、薄肉軽量設計ながら剛性を高め、クラッシュ時の座屈を防ぎます。パーツ後部のD-LFT格子がクラッシュゾーンを形成し、後方衝突時のエネルギーを吸収します。アルミニウムプロファイルがロードフロアの軸方向側面にインテグラル成形され、特殊表面処理とインターロック用の穴によりD-LFTおよびラミネートと結合されます。これらのプロファイルはパーツ剛性をさらに高め、良好な座屈挙動を確保し、クラッシュ時に力をD-LFTクラッシュゾーンへ伝達するよう慎重に設計されています。また、周囲の金属構造へリアロードフロアを直接取り付けるための取り付け点も提供します。追加の金属インサートも構造にインテグラル成形され、シートベルトロックの直接取り付けを可能にしています。

成功した実装

シミュレーション作業および小型・大型パーツ試験により、ハイブリッドリアロードフロア全体をクラッシュ負荷管理に使用できることが検証されました。更なる評価により、この技術は従来の金属構造と同等の安全性を持つことが明らかになりました。

より大きなプロジェクト目標の1つである「総BIW質量200kgへの削減」は、シミュレーションと小型パーツ開発の段階では理論的に達成されました。しかしプロジェクトが進むにつれ、より高いクラッシュ性能が求められ、複合材構造への質量追加が必要となりました。また、コスト考慮からリアロードフロアの強化繊維を炭素繊維からガラス繊維へ切り替えました。結果として、インサート込みのリアロードフロア質量は32.9kg、フロントロードフロア（インサート込み、バッテリーなし）は12.1kgとなりました。最終試験パーツでは、より高い安全性と低コストを達成するために質量目標をわずか4.3%超過しました。SMiLE BIWは、フロントロードフロアでの炭素繊維強化の集中的な使用により、従来の金属システムよりも高コストとなります。

リアロードフロアプロジェクトは、F-ICTによるD-LFT/圧縮成形サブプロセス「局所的高度テーラードLFT」の開発につながりました。これは、UDテープ主体の構造にD-LFT材料を選択的に適用し、テープでは作れない局所的な複雑形状（リブなど）を生成するものです。SMiLE以前にF-ICTが開発し、本プロジェクトで使用されたもう一つの技術は、「放射誘起真空統合」による熱可塑性テープの急速加熱・統合法で、これは現在ディッフェンバッハー社から「Fibercon」装置として商品化されています。

実験的プロセスとフリモ製の高度に複雑な金型は、最初から機能し、後続の試験とデモンストレーションのために100個以上のデモンストレーターパーツが製造されました。チームは成形プロセスを単一ステップで行うよう設計しましたが、F-ICTの熱可塑性加工チームリーダー兼リアロードフロアプロジェクトリーダーのセバスチャン・バウムガートナー博士は、量産環境ではこの複雑なパーツを2ステップで成形し、ラミネート予備成形を別金型で行う方が効率的だと考えています。「あえて難しいワンステッププロセスを最初に試み、うまく機能しました」とバウムガートナー氏は説明します。「しかし金型が非常に複雑で、プロセス制御が容易ではありませんでした。ラミネートの局所的な過熱がLFTストランドとの強い相互作用を引き起こすため、量産時の良好な再現性を確保するには、プロセスをシンプルにし、より堅牢なツーステッププロセスを選択するのが良いでしょう。」それでも、この大型複合材パーツとそれを成形する複雑なプロセスを考慮すると、チームは最終結果に非常に満足しています。「商用技術を用いて、重量と性能を最適化し、高い機能統合を備えた革新的で経済的なパーツを製造できることを実証しました」と同氏は付け加えています。

完成したロードフロアは2018年CCE-JECイノベーションアワードを中国で受賞し、ドイツ政府はより大きなSMiLEプログラムを「灯台プロジェクト」として認定しました。これは、この技術が将来のモビリティ設計で重要になることを意味します。チームは次のステップについて協議中です。