ハイブリッド中空プロファイル技術：複合材と金属の融合で優れた補強を実現

射出オーバーモールディングは最近複合材業界で話題ですが、主にハイブリッド複合材の創出という文脈でです。成形済み連続繊維強化プリプレグやプリキュアード複合材形状を金型内に配置し、短繊維強化射出成形材で封入することで、必要な箇所のみに追加補強を与え、過剰設計を避け、生産コストを制御します。この注目の陰で、プラスチック/金属ハイブリッド（PMH）構造――薄板金属サブストラクチャーを熱可塑性複合材で射出オーバーモールディングしたもの――に関するニュースはほとんど注目されていません。

PMHカテゴリーは、3月にヨーロッパで最初に発表された新開発により拡張されました。中空プロファイルハイブリッド（HPH）技術と呼ばれるこの開発は、押出または溶接管状金属サブストラクチャーを、プレス・溶接薄板金属に代えて効率的に使用し、高荷重を受けるPMHコンポーネントの機械的性能を向上させることを可能にします。HPH技術は、4月30日-5月1日、米国自動車技術者協会（SPE、コネチカット州ベセル）主催の第13回自動車エンジニアリングプラスチックスカンファレンス（AutoEPCON）で北米デビューを果たしました。デトロイト郊外で開催。

「従来型」プラスチック-金属ハイブリッド構造

PMH技術は1995年頃、Bayer AG（ドイツ・レバークーゼン）で最初に開発されました。複合材チームとPMH技術は、2004年にBayerの化学・ポリマー事業からスピンオフし、LANXESS Corp.（米国・ピッツバーグ）となりました。

PMHは、選択的に穿孔されたプレス成形スチールまたはアルミニウム薄板金属サブストラクチャーを射出成形金型に配置し、通常選択的にオーバーモールディング（金属基材を完全には封入しない）します。ガラス繊維強化ポリアミド6（GR-PA 6）を使用。結果として得られるハイブリッド構造は、部品設計者が選択した機能部品――ブラケット、リブ、ボス、その他外側の複合材形状――を特徴とします。穿孔は熱可塑性複合材が金属サブストラクチャーを貫通・周流することを可能にし、両材料間の強力な結合を促進、両方の長所を兼ね備えた構造を実現します。すなわち、薄板金属の高剛性・高強度の恩恵を受けつつ、例えば複合材リブが金属の座屈を防止して剛性化・安定化。さらに複合材は耐食性、良好な表面仕上げ、軽量化、部品統合と機能統合を単一工程で達成、ハードウェア・ブラケット・二次加工を排除。マトリックスがPA 6であるため、広範な耐薬品性と優れた靭性（衝撃強度）も提供。

PMH構造は、同等機能の薄板金属構造より軽量で、部品点数が大幅に少なく（工程も大幅に少ない）、不連続繊維強化熱可塑性複合材単体より高い機械的性能を発揮。スペースが限られ、厚肉断面が望ましくないケースで特に有用。部品点数と生産工程を大幅削減することは、コストと製造フットプリント削減だけでなく、在庫コストと保証コストも削減。熱可塑性マトリックスのため、寿命末期に分離・リサイクル可能。

リサイクル性と性能メリットにより、PMH技術は長年、フロントエンドモジュールやバンパービームなどの大型アセンブリからエンジンルーム部品まで、多様な自動車部品製造に使用。非自動車用途ではローラーブレード、スクーター、小型オフロードカー部品にも採用。

管状構造

あらゆる技術と同様、PMHにもいくつかの欠点があります。第一に、金属とプラスチック両方の金型コスト償却（両方必要）により、中・大量産車両プログラムへの適用が必要になりがち。同一プラットフォーム上の類似モデルと金型コストを共有できない限り、ニッチ生産には高コスト。第二に、従来の適用では、PMH技術は単純な2Dまたは2.5D薄板金属サブストラクチャー（L字、C字、平板断面など）に最適。しかし、これら構造は特定の高性能要件を満たす十分な捩れ強度を欠くことが多い。また、閉断面/管状構造（O断面やその他管状・角形断面）をPMHで作ることは不可能。閉断面は射出成形の高圧で潰れてしまうため。

「中空プロファイルハイブリッド構造のアイデアは、質量削減と機能統合が強く求められる高荷重構造用自動車用途のリストから進化しました。そこでは現在のPMH技術では性能要件を満たせないほど強度が不足していました」とLANXESS構造用途開発エンジニアJoseph Aiello氏。クロスカービームは理論上理想的なHPHコンポーネントと挙げます。重く、多数のブラケットとアタッチメントを金属で含むため。クロスカービームは全乗用車でシャーシの捩れ剛性を提供。エンジンルームから車室内へ貫通する部品（ステアリングホイール等）と、ファイアウォール前方から乗員室へ突き出す部品（インストルメントパネル、センターコンソール等）の取付点も提供。PMH技術をクロスカービームに適用した先行作業は、オーバーモールディング後に2つのオープンL字PMH構造を溶接してビーム用の管状（閉断面）金属サブストラクチャーを作ろうとしたため、十分な機械的性能が得られませんでした。「閉断面構造がオープン構造より強いことは工学的に周知の事実。金属中空ビームや丸・角断面チューブに技術を適用する方法を見つけるのが、プラスチック-金属ハイブリッドの機械的性能向上の論理的出発点でした」とAiello氏。

課題は常に、金属サブストラクチャーとオーバーモールディングされる複合材機能部品間の高強度結合を達成すること――クロスカービームのような構造クリティカル部品では特に重要。当初、特別な設備不要で標準チューブをオーバーモールディングする技術に取り組みました。問題は、射出成形機内でチューブをどう選択的に変形させるか――金属チューブとマトリックスの良好なインターロックを確保し、成形サイクル中の典型的な高圧でチューブが潰れることなく、金属サブストラクチャーとオーバーモールディング複合材間の高い結合強度を実現する、ディンプルや窪みをどう作るか。綿密な研究の末、PMH技術を最初に開発した同じLANXESSチームがHPHプロセスも開発しました。

基本的に、HPHは高流動・高ガラス強化PA 6「構造エレメント」――特別に設計されたリブ/フィンが外側に突出した射出成形ソリッドチューブ――を、スチールまたはアルミニウムチューブの中空中心に挿入し、それを射出成形機に入れ、追加のGR-PA 6複合材でオーバーモールディングして外部ブラケット等の機能部品を形成します。構造エレメントは、そのチューブがオーバーモールディングのためにプレスに入れられる前にチューブ内に挿入され、成形時の高圧でチューブの潰れを防止し、ビーディングまたはディンプリングと呼ばれるプロセスでチューブを成形/変形させ、金属と複合材間の強力な結合を保証。この内部エレメントはチューブ内に残り、構造サポートを追加します。

LANXESSによると、内部リブ/フィン付きエレメントは穿孔スチールまたはアルミニウムチューブでも使用可能。これらは従来PMH技術で使用される穿孔と同様に機能します。

第2金型を不要にするため、その金型にサイドキャビティスペースを設計し、次のショットで使用するチューブ用構造エレメントを成形しながら、構造エレメントで補強された所与のチューブをオーバーモールディング可能。全プロセスは希望すれば完全自動化可能とのこと。

従来PMH構造（プレスまたはプレス+溶接サブストラクチャー）と比較して、HPH構造は同等断面・質量・厚みでより高い捩れ剛性・強度と優れた寸法安定性を提供しつつ、LANXESSオリジナルPMHプロセスのすべての伝統的メリットを維持すると報告されています。

今後の展望

ターゲットHPH用途には、クロスカービームだけでなく、シートフレーム、フロントエンドモジュール、トラックテールゲート、ミラーブラケットなど、高い機械的要求を持つハイブリッド複合材/金属構造が含まれます。自動車外では、家具、梯子、ベビーカーなどへの応用も可能。商用用途実績はまだないほど新しい技術ですが、HPHは多くの開発プロジェクトの一部となっており、LANXESSは機会評価を継続、今年後半に特許出願を完了するための技術リリース作業を継続中と報告。

HPHの次は？ LANXESSは以前、PA 6/6とポリブチレンテレフタレート（PBT）マトリックス、カーボンファイバー強化でのPMH研究を行い、マグネシウムサブストラクチャーも評価済み。ただし、商用用途の大半は30-60%ガラス充填GR-PA 6に留まります。理論的には同じ材料組み合わせをHPHでも使用可能ですが、チームの焦点は60% GR-PA 6に置かれています。カーボンファイバー強化を使用する場合、金属サブストラクチャーは隔離（コーティング等）が必要で、ガルバニック腐食を防止。または、構造要求が低い用途では、プラスチックまたは複合材から押出・パルトルージョン成形したチューブを使用することも可能。