CFRP部品向け革新的モールドインファスナー

今年のパリJECショーで、自動車ワールドショーケースのプロジェクト展示の一つに、Böllhoff Otalu（フランス・ラ・ラヴォワール）、ドイツ締結部品サプライヤーBöllhoff（ビーレフェルト）のフランス子会社が開発したモールドインファスナーがありました。Yann Bernard氏がBöllhoff IMTEC HRの製品マネージャーを務めます。IMTEC HRはIn-Molding TECchnology High mechanical Resistance fastenerの略です。自動車OEMのイノベーション部門と共同開発されました。「重量構造物で高性能を達成するよう要請されました。非常に強い複合材部品は作れますが、弱点はアセンブリです。シートのようにフロアに取り付けなければならないトータルアセンブリが必要でした。」Bernard氏は、典型的な金属構造ではブラインドリベットやフロアへの溶接ナットで実現されていたと指摘。「しかし今はフロアが複合材かもしれません。このタイプの複合材構造にどう締結するか？」

開発目標

目標は、複合材部品を締結するのに十分な強度を持ち、かつコスト競争力があり、大量生産に適したファスナー。「金属フロアへの取り付けは完全ロボットプロセスで容易に産業化できます」とBernard氏。「だからIMTEC HRのアイデアは、手作業なしで複合材向けの産業化されたソリューションでした。」IMTEC HRファスナーは、複合材フロア構造の金型に配置され、成形プロセス中に統合されます。Bernard氏はIMTEC HRが熱硬化性・熱可塑性成形プロセスの両方に適合し、樹脂移動成形（RTM）、圧縮成形、射出成形/オーバーモールディングを含むと説明。

成形プロセスへの統合

射出成形では、ファスナーをロボットで金型上の固定ピンにまず配置。ピンがファスナーを位置決めし、内部ネジ山が樹脂でコーティングされるのを保護。次に複合材をロボットで金型に配置。金型を閉じ、プラスチックを射出、ファスナー統合状態で脱型。

圧縮成形では、基本的に同じだがピンがプラスチック製スクリューオフ「キャップ」で、複合材を押し退けてファスナーを挿入する役割も果たし、穴あけ不要。これにより時間短縮だけでなく、繊維切断も回避。ピンキャップは成形中も内部ネジ山を保護し、脱型後に取り外し。

「フロア生産後、追加工程は一切ありません」とBernard氏。「この技術が複合材フロアやその他構造部品を手頃な生産コストで実現するのに役立つと信じています。金属フロアでのブラインドリベット使用を再現するからです。ファスナーが成形済み複合材部品にすでにある。これで標準的方法でシートを取り付けられます。複合材フロアへの部品取り付けが金属フロアと同等になり、競争環境が均等になります。」

ガルバニック腐食対策で、IMTEC HRは亜鉛メッキ鋼とステンレス鋼で提供、後者は主に炭素繊維強化プラスチック（CFRP）用。ボルト（スタッド）、ナット、スペーサーなど異なるバージョンも用意。「穴径とファスナー寸法も特定要件に合わせて変更可能です。」

エネルギー吸収のための特殊形状

これらファスナーの形状について質問しました。Big HeadやSpida Fixingsなど見たことあるものに似ていると。形状は似ているが異なり、クラッシュ条件下でのエネルギー漸進的放出を可能にするよう開発されたと説明。「高い機械的性能を提供する十分な強度がありながら、クラッシュテスト条件でエネルギーを吸収し、破壊的脆性破壊を回避できます。弾性変形から塑性変形を経て破断せずに進行可能。この振る舞いがないと、取付部の複合材フロアが変形・破断するか、金属ファスナーが破断します。複合材構造向けファスナー適応での課題の一つでした。」

形状のもう一つの側面は花弁。「これらは成形中に複合材に埋め込まれるよう設計されています」とBernard氏。「このファスナーを部品に埋め込み、金型に残さないよう設計しなければなりません。」また、ファスナーフランジが複合材部品の後ろにあり、部品断面厚を減らさないことも指摘。「埋め込みファスナーを実現しながら部品断面を維持し、構造特性を与えるために重要です。」

Cetimと共同で、QSP生産ライン適合の特別版IMTEC HRを開発。Cetimは高度自動化複合材部品生産のためのキルティッドストラタムプロセス（QSP）を開発したフランス研究機関。

Cetim発表論文によると、QSP向けに開発された特許出願中のIMTEC HRファスナーは、従来ファスナー比で引き抜き性能30-75%向上、ラップせん断性能60-75%改善を示しています。