BMWのエンドツーエンドCFRP生産：トウからテープ、最終部品まで

炭素繊維コンポジットの自動車用途への現在の進出において、BMWグループ（ドイツ・ミュンヘン）は独自の道を歩んできたように見えます。Mスポーツモデルのルーフ製造のためRTM（樹脂移動成形）を加速させる初期作業が、i3とi8でのCFRP部品の完全なサプライチェーン確立へとつながり、さらに7シリーズのマルチマテリアルCarbon Coreボディインホワイト（BIW）向けの全く新しい製造・組立ワークセルへと発展しました。

アウディとの並行開発

BMWは2009年、i3へのコミットメントを大々的に発表しましたが、同年アウディAG（ドイツ・インゴルシュタット）は繊維強化プラスチック専門のテクニカルセンターを設立。2011年、アウディはVoith Composites（ドイツ・ガルヒング）と提携し、CFRP部品の大量生産開発を発表。翌年、RTMで製造されたCFRP強化鋼製Bピラーと、SOGEFI（フランス・ギヤンクール）とのコンポジットコイルサスペンションスプリング商業化パートナーシップを公表。2012年には、BMW、Voith Composites、SGL Group（ドイツ・ヴィースバーデン）らとMAI Carbon先端クラスタの設立パートナーとなりました。

特筆すべきは、アウディ自身のCFRP開発物語が2006年発売の初代R8スポーツカーから始まることです。コンバーチブルトップのコンパートメントカバーとサイドブレードがRTMで製造されました。同社は美観外装と小型構造から、Audi R8 e-tronのModular Sportscar System（MSS）へと進化。この電気スーパーカーのメイン構造は押出アルミビームとアルミ鋳物で接合されていましたが、すべてのパネルとインフィルがCFRPで、波形クラッシュ構造を持つトランクインサートにより、リアモジュールが金属フレームの5倍のエネルギー吸収を実現しました。

MSSのバックボーンである「リアウォール」は、2011年の初期コンセプトから、現在は非電動R8向けにSGL Technologies（旧BENTELER-SGL、オーストリア・オルトイムインクライス）で生産されているモジュールへと進化しました。しかしアウディは次のステップをすでに計画していました：より多量生産のA8高級セダン向けにリアウォールを改良し、Voith Compositesを製造パートナーとすることです。

Voith Compositesの歩み

Voith Compositesは、1867年創業の多国籍Voith GmbH & Co. KGaAの10年目の子会社です。親会社は現在19,000人の従業員を擁し、年収42億ユーロ（約52億米ドル）、4部門（Voith Digital Solutions、Voith Hydro、Voith Paper、Voith Turbo）を通じて製造装置と技術を提供しています。Voith Compositesは、製紙用CFRPロール製造から、自動車・産業用CFRPドライブシャフト/カーダンシャフトとフラットラミネート製造へと進化しました。

効率重視の設計進化

2011年、Voith CompositesはA8リアウォール生産を目指した高度自動化CFRPプロセスチェーンの構築に着手。その核心はVoith Roving Applicator（VRA）で、単一ラインでZoltek（米国ミズーリ州セントルイス）の35K炭素繊維トウをバインダー付き単方向（UD）テープに広げ、切断・積層してテーラードブランクを形成します。VRAは2017年JECイノベーションアワードを受賞。その後のプリフォーミングと成形作業の堅牢な基盤も確立しました。Voith Compositesとアウディは、完成したVRAベースのデジタル4.0生産ラインでAudi A8リアウォールモジュールを製造し、JEC World 2018で自動車部門トップ栄誉を再び獲得。樹脂サプライヤーDow Automotive（米国ミシガン州オーバーンヒルズ）とZoltekと共に、高性能CFRP部品を大量生産レートで製造するために必要な材料、プロセス、インライン検査システムだけでなく、将来の部品開発にすでに適用されているCAD/CAMとシミュレーションツールのフルセットも開発しました。

効率重視の設計進化

「早期からアウディと協業しました」とVoith Compositesビジネス開発責任者のDr. Jaromir Ufer氏は語ります。最初の優先事項は新しいA8リアウォール設計の開発で、これが部品の製造方法を指示しました。「この生産のためのエンジニアリングを始めたとき、必要な機能をすべて備えた既製のソフトウェア製品が見つかりませんでした」とUfer氏は説明します。「ABAQUSなどの設計ツールを集め、独自のマテリアルカードとシミュレーション手法を開発しました。」アウディはすでに、R8リアウォール設計でBIW重量削減と捩り剛性向上を主要目標として特定していました（"Audi R8 seat wall: A prelude to production"参照）。A8モジュールでは、MSSのマルチコンポーネント組立を、少数の接着・リベット接合部を持つ単一の成形CFRPパネルに削減する一体型設計を採用。この設計により、高度に異方性のあるラミネートと局所的な荷重経路が開発され、完成部品が溶接アルミ部品3～5個の組立と比較して、ドライブセルの捩り剛性の33%を50%の重量で提供できるようになりました。

「アウディA8リアウォールパネルのコンポジットプリフォームは、ベースの6プライから、局所補強が追加される箇所（切り欠きやポイント荷重箇所、チャイルドキャリア拘束具取付部など）で最大19プライまで変化します」とUfer氏は説明します。

Voith Roving Applicator（VRA）

Ufer氏は、この設計とVRAの開発が並行して進行したと指摘します。「VRAが提供する設計自由度があったからこそ、新しいA8リアウォールの性能が可能になったのです。」また、繊維サプライヤーZoltekがプログラムに7年間の価格コミットメントを行ったことも重要でした。

VRAのプロセスは、ZoltekのPX 35炭素繊維のクリールから始まります。複数の50Kトウボビンが各VRAラインに供給され、50 mm幅のテープに広げられます。次にエポキシ系バインダーが塗布され、これが後でDow VORAFORCEスナップキュアエポキシマトリックス樹脂とRTM時に反応します。少量の赤外線（IR）熱を加えてバインダーを部分的に溶かし、その後の圧縮、切断、積層工程でテープを保持します（ステップ1）。

「これは完全自動化された連続プロセスです」とUfer氏。「何らかの理由でライン停止が必要な場合、装置が自動的に反応します。例えば、IRヒーターが即座にオフになり、テープの過熱損傷を防ぐために退避します。このような細部が数百も装備に組み込まれ、デジタル制御でこの技術を可能にしています。」

バインダー塗布後、張力下で複数のローラーを通過させテープを圧縮（ステップ2）。Ufer氏はこれがラインのバッファーも兼ねると説明します。「連続的な繊維引き抜きフローを遮断し、テープ切断・配置メカニズムのパルス形式へ移行するユニットがあります。」このガントリー式メカニズムがテープをテーラード長に切断し、指定角度（0～360°）で回転テーブル上に配置します（ステップ3）。各テーラードスタックは6～19層のテープで構成され、厚さはそれぞれ1.5～3.7 mmです。

Voithは4本のVRAラインを導入（冒頭写真参照）。各ラインは最大4本の50 mm幅テープを同時に適用しますが、「ラインはモジュラーアプローチなので、10本以上のテープ同時適用も可能です。部品サイズと生産レートによります」とUfer氏。

自動化には品質検査も含まれます。テープとプリフォームのスキャンを拒否アルゴリズムと比較。「VRAのテープ100%スキャンにより、生産ライン全体で適切な繊維分布を保証します」とUfer氏。「サーモグラフィとレーザーセンサーで指定箇所のプリフォームもチェックします。」VRAは検出した問題に反応できます。「1本のテープが不良なら、VRAは不良部分を切り出し、別のテープを生産して置き換えます。」完成プリフォームにはトレーサビリティのためQRコードを貼付（RFIDタグより樹脂注入プロセスに耐えるとの報告のため）。

成形、モールディング、組立

2DスタックはVRAから出て、生産ラインの成形・モールディング・組立セクションへシャトル搬送されます。最初のプレス（FILL社製、オーストリア・グルテン）で熱と圧力をかけて2Dテープスタックを3Dプリフォームに成形（ステップ4）。Ufer氏は、プリフォームの厚さと形状が変化するため、成形工具にクランプされたプリフォームの各領域に適応した圧力をスタンプ成形で適用できると説明します。ALPEX Technologies（オーストリア・ミルスバイハル）がVoith Composites提供の設計に基づきマッチドスチールRTM金型を製作。「ツーリングとプレスプロセスをバーチャルに開発しました」とUfer氏。「実際のテストループは不要でしたが、A8リアウォール生産工具の機械加工前に、他の形状と部品でシミュレーションモデルを検証・妥当性確認しました。この成形プロセスシミュレーションが実生産に直結し、最適化を加速させました。」

プレスは数秒間保持し、粉末バインダーを反応させて形状を固定。樹脂注入時のファイバーウォッシュに耐えられる安定したプリフォームが得られます。「バインダー粒子は繊維を離して保持し、RTM時の樹脂流れを改善するマイクロ流路としても機能します」とUfer氏。「プリフォームにステッチがないため樹脂流れを助けるものがなく、これらバインダー粒子がマイクロ流路として働きます。」

成形済みプリフォームはロボットでEiMa Maschinenbau GmbH（ドイツ・フリッケンハウゼン）のCNCセルへ移送され、超音波ナイフで外周最終輪郭をトリミング。その後ロボットでRTMプレス（ステップ5）へ配置。ENGEL（オーストリア・シュヴェルトベルク）製。ライン内のすべてのロボットはKUKA Robotics（ドイツ・アウクスブルク）製です。

A8リアウォールの成形に用いられるRTMプロセスは、前身のR8リアウォールでアウディ軽量化センターで開発されたものと同じで、ウルトラRTMと呼ばれます。大型部品を高速注入・低圧で成形可能にします。HP-RTMで典型的な140 barに対し、A8リアウォールのウルトラRTMでの金型内樹脂注入圧力は15 bar未満、R8よりもさらに低圧です。その結果、2,500 kNのプレス力ではなく、わずか350 kNで済みます。したがって、より小型・低コストのプレスで高品質・高繊維体積率部品を製造できます。

VORAFORCE 5300エポキシ樹脂は、離型剤を含む三成分系で、120℃で90～120秒で硬化、加工粘度20 cps。A8リアウォールでは1.3 kgの樹脂ショットをプリフォームに注入し、120秒硬化します。

硬化部品はロボットで脱型し、クローズドCNCフライスセルで切り欠き加工。次に自動洗浄機で残留CFRP粉塵を除去。

洗浄済みリアウォールは、2台のロボットを備えた組立セルへ移送。第1ロボットが成形部品を自動リベット機に配置、リベット打ち込み時の力を記録。これは全体プロセスに組み込まれた製造インテリジェンスの一部で、各部品のデジタル処理記録（デジタルスレッド）に追加されます。次に接着エリアへ移動し、第2ロボットが自動溶剤拭きで接着面を準備。同ロボットが速硬化型二成分Dow BETAFORCE 9050Mポリウレタン構造用接着剤を塗布（ステップ6）。三成分エポキシと相性良好。部品をオーブンで短時間接着硬化。

この生産ラインは完成部品で5分のサイクルタイムを維持。現在の部品需要は1～2シフト（8時間）で対応可能。3Dレーザースキャン装置で定期的に部品の3D形状と寸法を検査。完成部品はアウディA8最終組立ライン（ドイツ・ネッカーズアルム、道路で約3時間）へ出荷準備（ステップ7）。

直接ファイバー配置＝将来の柔軟性

これだけの投資を行いながら、Voith Compositesがこのビジネスを確約されていたわけではないことは驚きです。実際、開発完了後に競争入札に参加し、受注しました。「アウディが定めた目標部品コスト、品質、部品性能要件をすべて満たせました」とUfer氏。多数の企業がこのプログラムを争ったことを考えると、これは決して小さな成果ではありません。

Voith Compositesはプロセスの複数部分で特許を取得。「VRAはテープの直接ファイバー配置（DFP）による産業化を実証し、高度に最適化された積層によりスクラップと材料使用量を削減します」とUfer氏。最もコスト効率の良い材料（未処理ヘビートウファイバーと粉末バインダー）を使用。第2世代プロセスでは粉末バインダーを樹脂直接塗布に置き換え、さらなる工程削減を実現。その他、Voith Longfiber PreformerやVoith Prepreg WindingなどのDFPプロセスも開発しています。

「我々は大量生産自動車シリアル生産向け炭素繊維部品の新たな標準を確立しています」とVoith Composites取締役Dr. Lars Herbeck氏。「確立したスマートファクトリーは、CFRPコンポーネントの自動生産を、ほぼあらゆる形状と個別ロットサイズを含む、効率と柔軟性の新たなレベルへと引き上げます。これがまさに業界の向かう先です。」