熱可塑性複合材ガイドレールでサンルーフ設計に革命：軽量化、コスト削減、組立簡素化を実現

フランスのウェバストSC（レ・シャテリエ・シャトームール）主導のチームが、従来のアルミニウムレールに代わり、初めて熱可塑性複合材ガイドレールを使用した新規固定ガラス・ローラーブラインドサンルーフモジュールを開発しました。ルノー グループ（ブローニュ・ビヤンクール）製の複数の多目的車（MPV）で初採用され、重量、コスト、工具の削減、ハードウェアと複数工程の排除、組立ライン設置の簡素化、作動騒音の低減、車両乗員とサンルーフガラスパネル間のヘッドルームを13mm拡大を実現しました。

ヨーロッパでは一般的ですが北米では珍しいローラーブラインドサンルーフモジュールは、通常、固定ガラスルーフシステムを覆うために使用されます。多くの場合、車両のルーフラインのほぼ全幅と全長にわたる大型パノラミックルーフです。展開時には、北米車のリジッドサンシェードとほぼ同じ機能を果たし、過剰な日光を遮り、雨と風の騒音を減衰させます。薄く遮光性のあるファブリックがモーター駆動トラックに沿って展開・巻き取りされ、車内後部のヘッドライナー下に収納されるスピンドルに巻き取られます。

従来のサンルーフ組立

自動車業界では歴史的に、特に車両の屋根のほぼ全長と全幅にわたる大型透明固定ガラスサンルーフシステムの場合、サンルーフのローラーブラインドモジュールをボディインホワイト（BIW）屋根構造に接続するためにアルミニウムレールを使用してきました。これらのガイドレールは、運転席側と助手席側の屋根に取り付けられ、ローラーブラインドサンルーフシステムでは二重の役割を果たします。モーター駆動ファブリックローラーブラインドが、シェードを巻き上げて車内により多くの光を入れるとき、または展開して光を減らすときに移動する滑り面を形成するからです。北米で一般的なリジッドサンシェードとは異なり、収納時にはヘッドライナー下でわずかなスペースしか占有せず、乗員からは見えませんが、リジッドサンシェードと同様に太陽からの熱的遮断と風雨からの音響遮断を提供します。

アルミニウムレールの従来製造プロセスは、等断面アルミニウムプロファイルから始まり、レールの複雑な形状を得るために労働集約的な多段階ミル・フィニッシュプロセスを必要とします：

• 長さ切断
• スタンピングとパンチングによる小さな折り曲げ形成
• 曲面成形
• スタンピングツールでは予成形できない複雑形状の機械加工/フライス加工（各ステップで1工具セット/操作と品質検査が必要）
• 黒または自然色で陽極酸化
• 電気ケーブルクリップ、スパイラルケーブルクリップ、センタリング/位置決めピン、ナットの組立

あらゆる乗用車メーカーとモデルでレールの形状と長さがわずかに異なるため、サンルーフメーカーは特定のサンルーフモジュールの生産期間中、大量の在庫を生産・保管する必要があります。新モデルが追加されるたびに、既存モデルのサンルーフシステムと共通部品を共有しない限り、全く新しい工具が必要です。

アルミニウムガイドレールは、サンルーフメーカーでの生産が労働集約的であるだけでなく、車両組立工場での設置時も同様です。従来、レールはネジでBIWに手作業で固定されます。その後、サンルーフモジュールがウィンドシールドベイを通って屋根の開口部へボトムローディングされ、オペレーターが最近設置されたレールに固定します。最後に、ガラスルーフ自体が構造用接着剤で車体上部に接着され、サンルーフモジュールとキャビン内部が密封されます。

アルミニウムレールは既知の確立された技術ですが、欠点があります。まず、アルミニウムは高価な原材料で、複雑な形状への曲げ加工が鋼より困難です。次に、環境保護のため、腐食防止用の陽極酸化薬品の廃棄が大きな追加コストになります。上述の通り製造プロセスは長く複雑で、工具コストが高いです。また、機能性向上には追加ハードウェアと追加組立ステップが必要です。

新しいレールコンセプト

より小型の可動ガラスサンルーフシステムで、アルミニウムから複合材へのサンルーフフレーム転換が成功していた実績に基づき、ウェバストのチームは、ローラーブラインドサンルーフシステムのより大型のサイドレールも複合材へ転換可能か検討するスタディを実施しました（フロントとリアのクロスビームは、こうしたシステムではすでに複合材（典型的にはガラス繊維強化ポリプロピレン（GR-PP））へ転換済みでした）。目標は、機能追加、製造ステップ削減、部品数削減、コスト削減、部品軽量化を図りつつ、OEM性能要件を満たすことでした。

チームはまずガイドレールの機能と動作条件を研究し、レールの最も重要な特徴は、トラック経路に沿って前後左右で同じ力でモーター駆動サンシェードのスムーズな移動を促進する能力であると特定しました。これを達成するには、レール全長（1メートル超の場合も）にわたって精密な形状と一定断面が必要です。また、フロント/リアサンルーフクロスビーム、ルーフ構造自体、モーター機構、ルーフガラス、ヘッドライナーなど、他のサンルーフ/モジュールコンポーネントへの確実な接続を提供するため、十分な構造性能も必要です。OEM要件を満たすため、モーター駆動サンシェードは低摺動騒音レベルで動作し、キャビン内部の騒音・振動・ハーシュネス（NVH）を低減する必要があります。

一般的な自動車用複合材のスキャンにより、熱硬化性マトリックスのものは除外され、熱可塑性が好まれました。熱可塑性複合材と比較して、熱硬化性でウェットアウトされたものは密度が高く、成形サイクルが遅く、より多くの成形後仕上げを必要とします。さらに、再溶融可能な熱可塑性は、上下レール間の接着剤・ファスナー不要の組立オプションを提供し、廃棄時リサイクルを大幅に簡素化します。また、熱硬化性は車内での曇りや揮発性有機化合物（VOC）排出の懸念をもたらしますが、これは欧州連合で車内用途として厳しく規制されています。

OEMによる極めて厳しい寸法管理要件（特にサンシェードのスムーズな動作を妨げる反り防止）により、ポリアミド、ポリプロピレン（PP）、熱可塑性ポリエステルは除外されました。アルミニウムレールはスムーズなサンシェード動作のためにグリスを必要としますが、ウェバストエンジニアは複合材レールでも潤滑剤が必要か未確定だったため、耐薬品性が悪く応力割れ傾向があるポリカーボネートは除外されました。ABSはサンルーフの110℃熱要件により却下されました。

ウェバストチームは以前、可動ガラスサンルーフフレームにガラス繊維強化スチレン無水マレイン酸/ABS（GR-SMA/ABS）を使用していたため、この材料に注目しました。これは数十年にわたり自動車業界で計器盤基板用途で使用されてきました。GR-SMA/ABSは低密度、高剛性、高強度、広い温度・湿度範囲で非常に低い反りと変形を示します。非晶質のため、成形後結晶化と収縮の懸念がありません。また、溶融再処理可能、良好に溶接可能で、無水マレイン酸成分によりポリウレタン構造用接着剤（ガラスルーフをサンルーフモジュールに接合するために使用）を含む様々な基材への高い接着強度を確保します。

ウェバストはGR-SMA/ABS樹脂サプライヤーのポリスコープ ポリマーズ BV（オランダ・ヘレーン）に適切なグレードを提案してもらいました。ポリスコープは2つの候補、15%ガラス繊維 XIRAN SGH30EBと30%ガラス繊維 XIRAN SGH60EBを供給し、ウェバストで小規模ラボテストを行いました。30%ガラス繊維グレードの方が剛性が高かったものの、その高い弾性率はサンシェードのスムーズな動作確保に必須ではありませんでした。テスト結果、15%ガラス繊維グレードが機械的特性目標を満たすと判明したため、チームは左・右サイドレールだけでなくフロントクロスビームにもこの材料を採用することにしました。リアクロスビームはGR-PPのままです。

次の決定は、レール製造にどのプロセスを使用するかでした。当初はプロファイル押出が検討されました。中空とソリッドの両形状を生産でき、機能的にはアルミニウムプロファイル製造プロセスに類似しています。また連続プロセスで生産要件を満たす十分な速度があり、工具コストも比較的低いです。しかし、研究者たちは押出では繊維強化樹脂から十分に滑らかな内面が得られず、サンシェードがトラックに沿ってスムーズかつ静かに動けない可能性を懸念しました。また、プロセスではレール長さにわたるプロファイル形状変更による更なる機能統合（追加ピンやクリップなどのハードウェアを後工程で追加せずに）の能力が制限されます。

もう一つ検討されたプロセスは射出成形です。非常に複雑な3D構造を滑らかな仕上げと高い美観で、迅速、精密、優れた再現性と再現性（R&R）で生産できます。また、穴、切り欠き、スナップフィット、クリップまで成形込み可能で、二次仕上げを削減できます。

対象用途でのデメリットは、射出成形では中空構造を単一ステップで生産できないこと（各レールを2ピースで成形し接合する必要がある）です。また、工具コストが高くなる可能性があります。

チームは、ファミリーツールで複数パーツを同時成形し工具コストを削減する目的で、射出成形を採用することにしました。

コンセプト実証

基本コンセプトが有望に見えたため、開発チームはOEMルノー グループとモルダーのアーク シャーパーズ（フランス・ラ・セギニエール）を含むよう拡大しました。目標は、2016年型ルノー セニック（5人乗り）とグランド セニック（7人乗り）多目的車（MPV）の固定ガラスローラーブラインドサンルーフモジュール用複合材レールシステムを設計することでした。チームは各レールに高度な機能統合を盛り込み、左右レールでミラー対称性を持ち、標準（セダン/サルーン/5人乗り）とロング（ワゴン/エステート/7人乗り）両車種に対応する設計としました。チームの設計の様々な側面は現在3つの特許でカバーされています。

工具コストを管理可能にするため、チームは金型設計を最適化し、左右両レールの上部と下部パーツ、フロントクロスビーム、リアGR-PPクロスビーム（別成形）へ接続する3つのボンディングインターフェースピースを、各サイクルで生産できるようにしました。もう一つのコスト削減策は、アーク シャーパーズが高価なツーリングスライドではなく、モジュラーブロック（長尺版と短尺版の両方を走らせるために挿入/除去可能）を使用したことです。全8個のGR-SMA/ABSコンポーネントを大型ファミリーツールで成形するには、1,500 kNクランプ力の射出プレスが必要でした。超音波溶接で上下レールを接合し、専用組立治具を設計・製作しました。

プロトタイピングとテストフェーズにより、チームはレール設計を最終化し、生産課題を予測し、パーツがルノーのバリデーションテストをパスすることを確認しました。テスト内容：

• 10,000ライフサイクルの耐久試験
• -20℃〜110℃、95%相対湿度（RH）での3軸振動試験
• 85℃→-20℃→50℃（95% RH）→110℃の温度サイクル試験
• 接着後の剥離強度とせん断強度
• ルノー走行騒音テスト（NVH）
• ロールオーバー「コークスクリュー」テスト
• 各テスト後、23℃でローラーブラインド動作速度75mm/秒以上

「押出アルミニウムガイドレールをサンルーフローラーブラインド用プラスチックソリューションへ転換するアイデアはウェバストのアイデアで、長い間特許化されています」と、ウェバストR&D設計コスト・産業エキスパートのジャック・ビビアン氏は説明します。「しかし最近まで、この機能の厳しい要件を満たすエンジニアリングプラスチックはありませんでした。」ビビアン氏は、プラスチック候補が寸法精度、経時安定性、温度・湿度変化への耐性、剛性と摺動能力の維持、優れた接着性を満たし、かつコスト競争力を維持する必要があったことを思い出させます。「ポリスコープのXIRAN SGH30EBの選定で、関係者全員にとって完全な成功となりました。」

期待を超える成果

2年以上の製造と販売を経て、複合材ガイドレールは予測通りに性能を発揮し、ティア、OEM、顧客レベルで多くのメリットが見られました。例えば、アーク シャーパーズの巧みな工具設計により、プログラムから大幅なコスト削減が達成されました。ウェバストの、レガシーアルミニウム組立より遥かに高い機能統合を持つ設計と、複雑な構造をワンショットで生成する射出成形の選択により、ハードウェアと成形後仕上げが排除され、コストも削減されました。レール生産だけで7ステップから2ステップへ削減されました。

ルノーの組立工場では、ローラーブラインドを含む新サンルーフシステムが、完全組立・事前テスト済みのワンピースユニットとして到着し、ロボットで屋根に接着されるため、2〜3の組立ステップが排除され、オペレーターを再配置でき、コストと時間をさらに削減できます。当初のシステムコスト削減は約20%と報告されていますが、新モジュールは部品数が少ないため、ルノーで見られるより低いPPM欠陥と高品質により、長期的には保証コスト削減が期待されます。新複合材レールのもう一つのメリットは、Z軸方向の要素スタック削減が13mm超達成されたことです。従来の2〜3ステッププロセス（レールをネジでBIWに固定し、モジュールをレールに固定）ではなく、モジュール全体がBIWに直接接着されるためです。これは作業員の組立ライン作業スペースを広げるだけでなく、背の高い乗員により多くのヘッドスペースを提供します。もう一つのささやかな改善は、サンシェード開閉時の巨大な日光開口部を持つ両車種で、NVHが低減されたことです。アルミニウムと同様に複合材レールは完全リサイクル可能ですが、初期製造と廃車時リサイクルの両方でより少ないエネルギーで済むため、環境にも優しいと言えます（興味深いことに、チームは複合材レールでサンシェードの信頼性ある動作に潤滑剤が不要であることも発見しました）。

「ウェバスト フランスのジャック・ビビアン氏が、サンルーフローラーブラインドのアルミニウムガイドレールをSMA複合材へ置き換えることを検討していると最初に聞いたとき、少しチャレンジングだが挑戦する価値があると思いました」と、ポリスコープのセールス・ビジネス開発マネージャー、アンリ・ポール・ベニシュー氏は述べています。「この革新的アプリケーションは、サプライヤー、ルノー、ルノーの顧客に多数のメリットをもたらす技術的・産業的成功であることが証明されました。」