BMW i3のCFRP(炭素繊維強化プラスチック)ボディの覚書

2015.01.19 Monday

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    BMW i3のCFRP(炭素繊維強化プラスチック)ボディの覚書PHOTO by M 93: „Dein Nordrhein-Westfalen“(cc)
    モータファン別冊『BMW i3 のすべて』からのピックアップです。

    BMW i3 のボディのうち、CFRP が使われているのは『ライフ・モジュール』と称するボディシェル部分。

    BMW i3 の CFRP パーツ『ライフ・モジュール』ができるまで
    BMW i3 のボディの元となる PAN 繊維は、三菱レーヨンの広島工場で作られている。

    それを北米ワシントン州モーゼスレイクにある SGL オートモーティブカーボンファイバー(ACF)社に運び、太さΦ7ミクロン(髪の毛の約 1/7)の炭素繊維に加工している。
    さらに、それを約 5万本撚り合わせ『ロービング』を作っている。

    BMW i production - CFK production SGL Automotive Carbon Fibers, Plant Wackersdorf(Total 2:51)SGL社全景・BMW i3 製造ダイジェスト



    ドイツ、バイエルン州ヴァッカースドルフにある ACF社の工場で布に織り上げられ、積層・裁断されて『スタック』という状態に加工される。

    スタックとはそれぞれのパーツに合わせた大きさに裁断され、金型プレスされて予備成形が行われること。
    モジュールのパートごと(例えばサイドパネルなら 9つのパートからなる)に CF 生地を最大 12層、型に合わせて設置し、自動加熱式ツールによってラミネートパックしておく。
    これは、『プリフォーム』とよばれる予備成形のプロセスで、パートごとに CF 生地を仮止めする工程。

    これが板金ボディのプレス工程に相当するが、布状の加工なので板金加工のような数百t クラスのプレス機は不要。
    製造エネルギーやコストが削減できる。

    BMW のランツフート及びライプツィヒ工場へ運ばれ、RTM 成形で CFRP 製品へと加工される。
    RTM 成形はオートクレーブ成形より強度面ではやや劣るものの、成形時間が大幅に短縮できるのが良い点。

    予備成形されたパーツは不要な部分が切り取られ『ブランク』という状態に加工される。
    それを本成形する金型に並べ、加圧しながら樹脂を注入。

    例えばサイドセクションは、11個のパーツを一つの金型に並べて一体成型される。

    BMW は、この樹脂の注入における時間・圧力・温度の管理に独自のノウハウがあり、十分単位での成形を可能としたという。

    CFRP となった各コンポーネントは切削加工工程に送られる。
    ここではウォータージェットカッターで不要な外周部分が切り取られるほか、ボルトやハーネス、配管類を通す穴が加工されていく。

    カーボン繊維はスタック状態では曲げ方向に柔軟だから、金属では対応できない深絞りや曲げ形状も可能。
    後づけの補強パーツが不要になるため、この段階で構成パーツは、金属使用時の約 1/3、約 150個に収まっている。
    これも重量やコストの削減に寄与している。

    BMW i production - RTM press(Total 1:19)ウォータージェット加工



    コンポーネントごとに完成したパネルアッセンブリーは一箇所に集められ接着される。
    大型部品の接着は完全自動化され、構造用接着剤が塗布された後、ボディシェルの形に組み合わされ、接着部を加圧&加熱することで接着剤を硬化させる。

    接着剤は連続的に塗布されるのでシーラーの類は不要。
    連続接着で面積も広いので、ボディ全体の剛性を高める効果も大きい。

    これまでの手法では一日単位の時間を硬化に要したが、新しい接着剤の採用と、完全自動作業、接着空間と分量のコントロール、さらに追加の特定箇所用熱処理プロセスといった工夫で、従来の1/32 程度、時間にして 10分を切る接着硬化時間を実現。

    ボディシェル完成。
    スチールボディの場合、次に塗料プールにドブ漬けする防錆塗装が行われるのだが、錆びない CFRP には不要。
    設備もコストもかからないばかりか、塗料の重量約 10Kg(フェンダーなど外板の防錆塗料省略分も含む)が削減できる。

    ・ワイパーモーターなどの艤装品の一部や、内装が部分的に取り付けられ、外板で唯一の CFRP製部品であるルーフパネルが加圧接着されて『ライフ・モジュール』が完成。

    アルミ製シャシー『ドライブ・モジュール』と CFRP製『ライフ・モジュール』の固定は、接着剤とボルト 4本でされる。
    各モジュールの剛性が相乗的に作用するため、全体剛性は極めて高い。

    リサイクルについて
    BMW i3 の製造過程で発生した樹脂加工前の CF は再び生産工程に投入される。
    BMW i3 に使われている炭素繊維の約 10%がリサイクルによるもの。

    樹脂加工後の不要物は CF を分離して、例えばリヤシートシェルといった軽量化重視の部位、および他産業分野の製品用に転用される。


    → カーボンコンポジット業務に戻る

    BMW i3 Production - Part 1(Total 22:53)カーボン繊維の製造


    BMW i3 Production - Part 2(Total 18:22)モーターの組立・内装の製造などの様子


    BMW i3 Production - Part 3(Total 17:10)全自動で接着剤が塗布される様子


    BMW i3 Production - Part 4(Total 16:31)BMW i3 組立工程

    LaFerrari Chassis and Bodyshell

    2013.03.25 Monday

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      タブ(モノコック)のほとんどが T800(東レ)で作られています。
       
      自動車部門の最初
      戦略的に、正常な材料が適切な場所にあることを確実とするために、クロスと一方向性テープ(UD)を積層している。
       
      T1000(東レ)の一方向テープ(UD)とクロスが、ドアや敷居などパッセンジャーコンパートメント保護にとって重要な分野で使用されています。
      その高いエネルギー吸収特性は、厳しい側面衝突法規の基準を通過します。
       
      ボディの構造要素は M46J の一方向性テープ(UD)とクロスを用いて作られていて、非常に剛性が高い、しかし軽量です。
       
      足回りについて、炭素繊維は、別の専門的複合材料と組み合わされる。
      ケブラーはカーボンの構造体を道路の破片による損傷から保護するために用いられます。
       
      マルチ材料アプローチは、構成要素(パーツ)の数の削減と、ボディ全体の軽量化のため採用されました。
       
      例えば、ワンピースのリヤセクションです。
      これは、1つの部分を M46J と T800 カーボン繊維の組み合わせを用いて積層することで、とても軽量になっています。それでも堅い構造です。
       
      炭素繊維は、F1シャシーのために使われる同じオートクレーブで成形されます。
      130度と 150度の間の 2つの段階で、バキュームバッグを用いて、積層内の任意のボイド(エア)を除去しています。
       
       

      レクサスLFAのFRP部品の生産について

      2012.08.31 Friday

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        レクサスLFA

        レクサス LFA の外板および構造部材の一部は『SMC(シートモールディングコンパウンド)』で作られている。

        担当は内浜化成株式会社。

        外板(前後フェンダー・ドア・ピラー・ロッカーパネル・バックガーニッシュ・フューエルリッドなど 12品目)はガラス繊維を用いた『G-SMC』、構造部材には炭素繊維を用いた『C-SMC』が採用されている。

        樹脂は熱硬化性樹脂を使い、型はスチームヒーター付きの金型。

        予熱した金型の上に、あらかじめ用意しておいた、繊維と樹脂を練り合せてシート状に成形しておいた材料を並べ、型を閉じて加圧・加熱成形している。

        G-SMC 成形の順序
        1) SMC に使うシートを準備
        薄いポリフィルムにペースト状のコンパウンド(熱硬化性樹脂とガラス繊維(1インチ長=25.4mm)と耐圧グレードのガラスマイクロバルーン(Φ20〜30μm)、体積比およそ 1.5倍相当の炭酸カルシウムまたは水酸化アルミニウムなどの充填剤・添加剤が混ぜ込まれている)をローラーで 3mm厚ほど盛りつけたものを作っておく。

        樹脂:充填剤:繊維=1:1.5:1.1 になっている。

        このシートはロール状にされ 25度で保管。
        使用期限は 30日。

        2) SMC に使うシートの切り出し
        コンパウンドのシートを型紙どおりにカッターナイフで切り出し。
        切り出したシートは両側のフィルムを剥がし保冷、一時保管する。

        3) シートの積層
        準備された下型にカットしておいたシートを正確に並べる。
        リヤクウォーターパネルの場合、全体にシート 2ply、エアインテーク部分などは、小さく切ったシートを 8plyしている。

        金型は上型 150度、下型 135度に予熱してあるため、シートを置くとすぐ硬化が始まる。
        この作業は迅速性が要求される。

        ドアは平らで形状剛性が低く、脱型後に材料が収縮する際、7μm ほどヘコみ面が波打ってしまうため、該当部分にガラスクロスを増しプライして対策している。

        4) 型のプレス
        積層の終った型は、内部のエアを抜きつつ加熱・加圧し 7分間保持する。
        成形が終わり、型を開けると下型から無数のピンが押し上がり、製品を脱型させるようになっている。

        5) トリム・仕上げ
        わざと金型の製品部分の周囲にフランジ部を設けて、材料を余分にはみ出させ(バリができる)、気泡を外部に押し出す工夫がされている。

        リヤクウォーターパネルの場合、一般面の肉厚 2mm、エアインテーク入口の肉厚 6mm、
        重量約 3.5Kg。

        気泡はポリパテで埋めている。
        #400 で水研仕上げ。

        ドアはニ液性ウレタンの下地塗料を分厚く(数 100μm)塗装して、ペーパーで水研している(下塗・中塗を合計 6回塗って、6回研磨)。

        これはシートに重量のかさむガラス繊維を少なくして、その代わりに中空のガラスビーズ(Φ0.02〜0.03mm のガラスマイクロバルーン)を混ぜた結果、化粧面の品質が落ちたため。

        中塗は車体色に応じて、濃・淡・ホワイトを使い分けている。

        C-SMC 成形の順序
        1) SMC に使うシートを準備
        薄いポリフィルムにペースト状のコンパウンド(ビニールエステル熱硬化性樹脂(熱硬化性)と炭素繊維(1インチ長= 25.4mm)を盛りつけたものを作っておく。

        充填剤は入っていない。
        Vf は 50%。

        2) SMC に使うシートの切り出し
        コンパウンドのシートを型紙どおりにカッターナイフで切り出し。
        切り出したシートは両側のフィルムを剥がし保冷、一時保管する。

        3) シートの積層
        準備された下型にカットしておいたシートを正確に並べる。
        ロールバー部のアウター側の場合、強度を考慮し、樹脂の流れが単方向で途中合流しないように(ウエルドが出ない)、金型設計されている。

        全体にシート 4ply(980〜1080g)している。
        上型と下型は 130度にしてある(変形防止)。

        4) 型のプレス
        積層の終った型は、内部のエアを抜きつつ加熱・加圧する。
        脱型した製品はケミウッドを NC 加工して作られた治具にセットし矯正する。

        これはカーボンVf:50%で、変形しやすい形状なので、成形後の材料収縮によって変形しやすいため。

        5) トリム・仕上げ
        穴あけは CFRP製の治具が用いられる。
        ドリルの挿入部だけでなく、裏側もブッシュが保持するよう工夫されている(層間剥離の防止)。

        SMC のメリット
        ・材料の収縮率が低いので寸法精度が出しやすい
        ・通常の射出成形樹脂部品と同じくらいに複雑な形状が成形可能

        SMC で使われる不飽和ポリエステルなどの熱可塑性樹脂は、粘度が出るよう増粘材が入っているため、常温ではベタついているが、予熱した金型内で温められると、水のように低粘度になって流動性が高くなる。

        繊維は流動する樹脂と一緒に流れ出し、低い面圧(100〜150Kg/平方cm)でも薄いスキ間に入って、金型の隅々まで行き渡る。

        最小 5/100mm のスキ間までガラス繊維と樹脂は浸透できるらしい。

        SMC のデメリット
        ・コンパウンド成分にスチレンモノマーを含むため、若干の揮発性有機化合物が残存してしまう
        ・再成形ができない
        ・リサイクル性に難あり
        ・C-SMC の場合、塗装後の化粧面にカーボンの目が浮き出る

        炭素繊維と樹脂の線膨張係数に差があるため、経年劣化で顕著になる。


        『CFRPでクルマを造る』の覚書

        2012.07.17 Tuesday

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           BMW i3
          PHOTO by j.knutzen(cc)

          日経誌の記事からのピックアップになります。

          BMW i3(2013年発売予定)
          キャビンの成形方法は RTM で、質量は 100kg(推定)。

          炭素繊維の元となる PAN(ポリアクリロニトリル)繊維は、三菱レイヨンとドイツ SGLグループの合弁会社が日本で生産する。

          この時、繊維を『5K』で生産することによりコストを下げた。

          富士重工業 インプレッサ WRX STI tSのルーフ(2011年発売)
          成形方法は VaRTM で、平織りのカーボン繊維を 4ply。

          カーボン繊維は東レの T300(3K、引張強さ 3.5Gpa の汎用品)。

          樹脂を注入して、金型を30分ほど加熱し効果させた後、後工程の熱処理を経て塗装する。

          成形は東レが担当。

          鉄製の厚みが 0.7mm だったのに対し、CFRP製は 1.6mm と倍以上に厚くして剛性を確保。

          ルーフの質量は 10kg から 6kg にできた(ルーフ本体の質量は 5kg)。

          ボディには接着とネジ(前後左右とも 8箇所ずつ)で固定する。

          工夫したのは鉄と CFRP の接触部における電食を防ぐため、ウレタン製ワッシャで絶縁、ステンレス製ネジを使い、インサート部品にカチオン電着塗装を施している。

          ルーフの価格は部品として購入すると 35万円。

          東レ TEEWAVE AR1(2011年試作車)
          キャビンの成形方法は RTM。

          3部品で構成されたキャビンで、質量は鉄製より 53% 軽量化して 45kg。

          ねじり剛性は 1万2000N・m/度と通常並を確保している。


          レクサスLFAのカーボンモノコックについて

          2011.02.18 Friday

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            レクサスLFA

            量産が始まった『レクサス LFA 』のカーボンモノコックについての覚書です。

            トヨタ自動車元町工場にて、2日で 1台のペースでスタートした量産型 LFA は、1日1台にペースアップして、500台の限定数を 2年間で作り、2012年12月末までに生産完了する計画。

            主要部の炭素繊維は 24K 主体。
            基本的には汎用グレードで、部位に応じて高強度タイプと高弾性タイプを使い分けている。
            東邦ナテックスの製品の場合、STS40(引っ張り弾性率 240GPa級)の 24K を主に使っている。

            モノコックカーボン部分の主要構成
            ●プリプレグ・オートクレープ成形部材:フロントバルクヘッド・サイドメンバー・ルーフフレーム

            Vf(繊維含有比率)は 55% 。

            型は線膨張係数が非常に小さいインバー合金(鉄 64% 、ニッケル 36% の合金鋼)製。
            裏面も NC切削加工して、肉厚を均等化しこれを鋼材で井桁に裏打ちした強固な構造。

            オートクレープにて、6〜7気圧で加熱・硬化させている。
            加熱温度は 130度前後だが、排気管が通るバルクヘッド周りには耐熱性樹脂を含浸させたプリプレグを使用しているため、150度で加熱している。

            本型とは別にケミウッド製の型を用意し、コレに積層してから本型で合体している。
            社内では、これをプリフォーム方式と呼んでいる。

            サイドメンバーの底部に使う衝撃吸収用の波板(コルゲート)は、熱可塑性のエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグを使ってプレス成形される。
            従来の熱硬化性のエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグに比べて層間剥離が起こり難く、エネルギー吸収性に富むらしい。

            ●RTM(レジントランスファモールディング)成形部材:フロア・ルーフサイドレール・クラッシュボックス

            Vf は50%前後。

            フロアの成形はプリフォーム方式でおこなわれる。
            上下型を完全にシールせず、低圧(5気圧)で樹脂を射出して、順次型締めしながら圧縮して樹脂を含浸させている。

            熱硬化性樹脂を使っているので、熱硬化を保証するため、型抜き後、高温炉で数時間ポストキュアを行っている。
            フロア周りは排気管の高熱にさらされるので、200度近い温度で 4時間行われている。

            ルーフパネルとボンネットフードも RTM成形だが、東レ製。

            RTM成形された一体フロアは、直交UD が使われ、フロアトンネル部は耐熱がある。
            フロア部の中空構造部分内部は、側突時衝撃吸収用のコルゲート(プリプレグ製の波板)をサンドイッチしている。

            ●SMC(シートモールディングコンパウンド)成形部材:ルーフフレーム一部・リヤパネル

            SMC成形部材は愛知県の内浜化成株式会社で作られている。
            カーボンSMC材:Cピラー周辺部材・リヤトランク床材
            ガラスSMC材:フェンダー・ドア・サイドパネルなど

            CFRP部品の接着
            CFRP 構造物の接着に使われる主な接着剤は、ナカセケミセックス(株)のデナタイトシリーズ 2液性エポキシ樹脂構造用接着剤(グレー色)で耐熱グレード。

            CFRP 同士の接着の場合、お互いの接着面にウォーターブラスト処理(アルミナ(酸化アルミニウム粉)と水の混合液を高圧ジェット噴射)して、表面に付着している離型剤や汚れ、油脂などを研磨除去・洗浄・脱脂してから、表面を活性化して*投錨効果を高めるための下処理を行っている。

            *投錨効果
            被着体表面の細かい凸凹に、接着剤が入り込んで硬化することで得る、機械力学的なアンカー硬化のこと。

            接着はリベット(クロムメッキ)を併用して、仮止めとフェイルセイフに活用している。

            接着作業後は温風炉の高温(数十度)雰囲気中で、数十分間の硬化反応促進処理を行っている。

            接着工程を終えたホワイトボディは 4日間かけて、ライン上を移動しながら、組立および検査を受け完成する。
            完成したホワイトボディは、ボディ剛性などの検査を行っている。

            中空構造の左右サイドメンバー部とダッシュパネル部に関しては、接着剤に単体状態で剛性検査をしている。

            ボディパネルの塗装
            LFAのボディパネルは以下で構成されている。

            品目             成形方法 製造メーカー
            ----------------------------------------------------------------------
            CFRP製ボンネット        RTM  東レ(株)
            ↑ ルーフ            ↑     ↑
            ↑ リヤウィング         ↑  東邦テナックス(株)

            ガラス繊維製フロントフェンダー SMC  小島プレス工業(株)
            ↑ ドア             ↑     ↑
            ↑ リヤフェンダー        ↑     ↑
            ↑ サイドパネル         ↑     ↑
            ↑ ピラー部カバー        ↑     ↑

            PP製 前後バンパー

            CFRP とガラス繊維で作られている部品は、成形時のピンホールや繊維の隙間を埋めるため、ゲルコート処理、その研磨目を整えるためのウレタン液プライマ(中塗)と、その水研(研磨)などの下地された状態で、小島プレス工業(株)から納品されている。

            上塗り塗料はウレタン2Kタイプ(基本的には一般板金塗装工場で行われているウレタン2K の塗装と同じシステム)で、すべてエア塗装。

            色のついたベースコートを塗装
            ベース+ウレタン2液硬化型クリアのトップコートを吹き重ねる
            90度の温風炉で 20分ほど硬化反応促進処理

            最終検査でゴミ・ホコリなどの付着があった場合、#800 で水研し、コンパウンド研磨する。

            『ホワイテスト・ホワイト(東京モーターショーでのボディカラー)』は、カラーベースの上に紫外線で青白く発行する「蛍光増白ベース」を塗り重ね、エナメルベースを吹いてからクリアを重ねている。

            『メタリックシルバー』と『パールブルー』の 2色は色合いに深みを出すため、ベースコートとクリアの 1set の上に、もう 1回ベースコートとクリアを吹き重ねている。


            アストンマーティンOne-77のカーボンモノコックについて

            2010.09.09 Thursday

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              アストンマーティンOne-77
              PHOTO by exfordy(cc)

              アストンマーティンOne-77
              PHOTO by Supermac1961(cc)

              そろそろデリバリーが始まるという『アストンマーティンOne-77』のカーボンモノコックについての覚書です。

              アストンマーティンOne-77 に使われるカーボンモノコックは、カナダのマルティマティック社(自動車部品メーカー)にて、50名ほどで週 1台のペースで作られている。
              生産ペースは上げられる予定。

              開発は 3年前からスタートし試作車は 10台作られた。
              試作車の内訳は
              一次試作車:2台
              二次試作車:4台(内 2台を 2009年のジュネーブショーに出品)
              検証用プロトタイプ車:2台(内 1台がグッドウッドでデモラン)
              プリプロダクションカー:2台(内 1台をクラッシュテストに使用)

              One-77 のカーボンモノコックは主要5部品で構成される。
              ・センターセクション(内側のインテリア部が化粧面となるオス型)
              ・フロント部
              ・リヤ部(センターセクションに接着&ボルト締結)
              ・ルーフパネル
              ・サブフレーム(金属)

              サブフレーム以外はオートクレーブ成形(7気圧)で、仕上げに 3層のクリヤ塗装(中研ぎを入れた 3コート 3ベーク、60度×3 の強制硬化で Sherwin-williams社製の UVプロテクトグレードが使われる)が施される。

              カーボン同士の接着には 3M の DP460(2液エポキシ構造用接着剤)が使われる。

              サブフレームを構成する部材。
              以下 4部品が接着またはボルト締結され組み立てられる。

              ・押し出し中空アルミ成形のプライマリ材
              ・5軸 NC切削加工アルミ合金製のサスペンションマウント部(フルラップ前面・リジットバリア 35mph・オフセット前面・デフォーマブルバリア 56km/h で破壊変形して衝撃吸収する)
              ・鋼板溶接中空構造のセカンダリ材(低速度域ではココだけ潰れて衝撃吸収し、フルラップ前面・リジットバリア 35mph・オフセット前面・デフォーマブルバリア 56km/hでは破壊変形して衝撃吸収する)
              ・NC切削加工アルミ合金製のものコックへの取り付け基部(NC切削の AA6061-T651)

              One-77 のコンポジット構造に使われるプリプレグは 3種類のみで、すべてイギリス ACG製。
              表面は化粧用ということで 200GMS 3K HS 2×2 Twill MTM19-3 40%(密度は平米あたり 200g・3K の高強度 2mmピッチ朱子織・樹脂含有重量比 40%)
              表面以外のレイアップは 600GMS 3K HS 2×2 Twill MTM49-3 40%
              ルーフパネルはクリヤ塗装で露出するので、塗装後の樹脂収縮による織り目の浮き出しを嫌って、UD。
              230GMS 3K HS UD MTM49-3 35%

              ハニカムは HEXCEL社(米)の Flexble core でアルミ製(AA5052 の熱処理材)。

              インサートは耐食のアルミ合金(5000系・6000系)

              剛性データ
              プレス鋼板溶接モノコックの 2倍以上の値を示している。
              捻り共振周波数 77.3Hz
              曲げ共振周波数 71.7Hz
              静的捻り剛性 47000Nm/deg
              静的曲げ剛性 14000Nm/mm


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