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自動車軽量化炭素繊維強化 複合材料の研究開発

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自動車軽量化炭素繊維強化 複合材料の研究開発
「自動車軽量化炭素繊維強化複合材料の
研究開発プロジェクト」
公開
(事後評価)第1回分科会 資料5−3
省エネルギー技術開発プログラム
「自動車軽量化炭素繊維強化
複合材料の研究開発」
(2003年度∼2007年度 5年間)
プロジェクトの概要 (公開)
NEDO技術開発機構
ナノテクノロジー・材料技術開発部
2008年 11月 7日
p.1/56
内容
Ⅰ.事業の位置づけ・必要性
NEDO(飯田)
公開
(1)社会的背景
(2)事業の目的
(3)省エネルギー技術開発プログラム
での位置付け
(4)NEDOが関与する意義
(5)国内外の研究開発の動向
(6)実施の効果
Ⅱ.研究開発マネージメント
(1)事業の目標
(2)事業の計画内容
(3)研究開発の実施体制
(4)研究の運営管理
(5)情勢変化への対応
(6)中間評価結果への対応
Ⅲ.研究開発成果
(1)プロジェクトの背景と目標
(2)CFRPの現状と課題
(3)開発目標と達成度
(4)検討内容
北野PL
Ⅳ.実用化、事業化の見通し
(1)事業化までのシナリオ
(2)波及効果
p.2/56
1.事業の位置付け・必要性について
事業原簿 Ⅰ−4
公開
(1)社会的背景
地球温暖化対策は喫緊の世界的、国家的課題
抜本的CO2排出抑制、省エネ技術の必要性
(2)事業の目的
自動車の軽量化による温室効果ガス排出の抑制
超軽量、高強度、衝突時の安全性に富む
自動車用材料としての炭素繊維強化複合材料を開発
p.3/56
事業原簿 Ⅰ−9
1.事業の位置付け・必要性について
公開
(3)省エネルギー技術開発プログラムでの位置付け
軽量化
自動車
アルミニウム合金
超微細粒鋼
炭素繊維
p.4/56
事業原簿 Ⅰ−1
1.事業の位置付け・必要性について
公開
(4)NEDOが関与する意義
自動車用材料としての炭素繊維強化複合材料の開発は、
○社会的必要性:大、国家的課題
○自動車産業の競争力強化に貢献
○その他、鉄道車輌、建築用へも展開可能
●研究開発の難易度:高
●投資規模:大=開発リスク:大
NEDOがもつこれまでの知識、実績を活かして推進すべき事業
p.5/56
事業原簿 Ⅰ−9
1.事業の位置付け・必要性について
公開
(5) 国内外の研究開発の動向;研究開発の背景と目的
1990
全
車
重
CAFE規制
kg
1995
2000
ZEV法
リサイクル法
NCAP
環境・安全
◆国内規制(燃費23%改善)
▲AL合金開発(日)
高張力鋼
Al合金/GFRP(短繊維強化)
▲TECABS(欧)
500
(車体重量)
安全
(エネルギー吸収)
2015
◆EU規制(25%燃費改善)
EU NCAP
1000
軽量
2010
2005
CFRP(連続繊維強化)
▲本提案
目標
スチール
0.5
1.0
(200kg) (400kg)
1.5
パネル部材
構造部材
280kg
(70%)
ドアパネル
フード
ルーフ
トランクリッド
120kg
(30%)
1.0
フロントサイドメンバ
1.5t車
サイドシル
プラットフォーム
p.6/56
事業原簿 Ⅰ−8
1.事業の位置付け・必要性について
公開
(5) 国内外の研究開発の動向;研究開発の背景と目的
◆CFRP成形法のサイクルタイムと成形品サイズの関係
秒
10 6
10
5
10 4
10 3
(10日)
プリプレグ
(25時間)
大型箱形構造体
(トラック、リーファー
ハウジング)
建築部材
(屋根材、トラス)
FW
(150分)
RTM
成形サイクル10分
(30000台/年)
SMC
10
ハンドレイアップ
新規成形法
2
箱形構造体
(ホームエレベータ)
自動車用部品
(車体、PS)
射出成形
10
10cm
非構造部材
情報機器(カバー)
1m
10m
100m
成形品サイズ
p.7/56
事業原簿 Ⅰ−1
1.事業の位置付け・必要性について
公開
(6)実施の効果 (費用対効果)
費用の総額
21.2億円
市場の効果(2020年時点)
※成功確率100%で計算
2.5兆円
(50万台/年、500万円/台)
車体構造部品額
2500億円
(50万台/年、50万円/台)
削減ガソリン代
1040億円
(累積260万台、150円/リットル)
69万kl/年
(2020年推定、ガソリン換算)
63万kl/年
(2020年推定、原油換算)
159万トン/年
(2020年推定、CO2換算)
新車販売額
省エネルギー効果
p.8/56
事業原簿 Ⅱ−1
2.研究開発マネジメントについて
公開
(1)事業の目標(2007年度 最終目標)
自動車用軟鋼板の車体に対して重量を50%軽量化でき、かつ安
全性(エネルギー吸収量:スチール比1.5倍)を備えた車両の構造部
材(プラットフォーム等)を開発する。また、成形サイクル時間を10分
以内とする製造技術(従来比1/15以下)の開発を目指す。
炭素繊維強化複合材料
基本計画
に反映
2002年度
・先導研究
・事前検討委員会
・ワークショップ
プラットフォーム
サスペンションメンバ(前)
サスペンションメンバ(前)
ルーフ
サスペンションメンバ(後)
サスペンションメンバ(後)
ドア
自動車適用部材
p.9/56
事業原簿 Ⅱ−3
2.研究開発マネジメントについて
公開
(2) 事業の計画内容(開発期間:2003年度∼2007年度)
大量・低コスト生産
1.ハイサイクル
一体成形技術
①超高速硬化型成形樹脂
②立体成形賦形技術
③高速樹脂含浸成形技術
3.安全設計技術
①樹脂(CFRP)の動的解析技術
②金属/CFRPハイブリッド構造体
の設計・解析技術
③エネルギー吸収技術
2.異種材料との接合技術
①金属/CFRPの 接着技術
4.リサイクル技術
①−1金属/CFRP分離技術
①−2再加工性技術
超軽量・安全設計のCFRP車体:プラットフォーム
目標: ・スチール比50%軽量、1.5倍安全なプラットフォームの設計/試作/試験実証
・成形サイクル10分以内
・リサイクル(分離、再加工)技術確立
p.10/56
事業原簿 Ⅱ−3
2.研究開発マネジメントについて
(2) 事業の計画内容
◆開発スケジュール
2003
2004
▲:基本原理確認
2005
▲
②立体賦形技術
●
▲
③高速樹脂含浸技術
▲
異種材料
との接合
①金属/複合材料接着技術
(実用化検討)
●
●
▲
●
①エネルギー吸収技術
▲
安全設計
2007
プラットフォーム試作
ハイサイクル
一体成形
外板︵
ドア︶試作
①高速硬化成形樹脂
2006
モデル
車体設計
●
②樹脂(CFRP)の動的解析技術
●
▲
③金属/複合材料ハブリッド構造体の設計・解析技術
▲
●:基本技術確立
最終目標値
プラットフォーム成形において
成形サイクル時間10分以下
(基材配置+樹脂含浸+樹脂硬
化+脱型)
スチール、アルミと同等以上の
接合技術を開発
(-40∼80℃で接着強度20MPa)
CFRP衝撃破壊のシミュレーショ
ン化し、破壊挙動を精度5%以内
で予測可能な計算手法の確立
↓
スチール比50%軽量、1.5倍安全
●
①−1金属/樹脂の分離技術
リサイクル
公開
▲
①−2再加工性技術
●
▲
●
・選択的な温度での金属部と複
合材との分離が5分以内
・リサイクル可能な樹脂材料
2005/6/10
p.11/56
事業原簿 Ⅱ−6
2.研究開発マネジメントについて
公開
(3)研究開発の実施体制
推進委員会
指示
プロジェクトリーダー
東レ(株) 複合材料研究所
北野 彰彦 所長
NEDO
PL、実施者、第三者4名
協議
委託
委託
日産自動車株式会社
日産自動車株式会社
・研究実施場所: 車両技術開発試作部
車両技術開発試作部(厚木)
・研究開発項目:
1)ハイサイクル一体成形技術(基材)
1)超ハイサイクル一体成形技術(基材)
2)異種材料との接合技術(設計)
3)安全設計技術(設計・試験)
4)リサイクル技術
東レ株式会社
東レ株式会社
・研究実施場所: 複合材料研究所
複合材料研究所(愛媛県伊予郡)
・研究開発項目:
1)ハイサイクル一体成形技術
1)超ハイサイクル一体成形技術
2)異種材料との接合技術(試作)
3)安全設計技術(試作)
4)リサイクル技術
再委託
日本大学
・研究実施場所:生産工学部
・研究開発項目:3)安全設計技術(解析)
京都工芸繊維大学
・研究実施場所:ファイブロ科学
・研究開発項目:3)安全設計技術
(エネルギー吸収部材最適化)
東京工業大学
・研究実施場所:精密工学研究所
・研究開発項目:4)リサイクル技術
(金属と樹脂の分離技術)
東京大学
・研究実施場所:大学院工学系研究科
・研究開発項目:4)リサイクル技術
(再加工性技術)
共同実施
連携
東京工業大学
東京工業大学
・研究実施場所:精密工学研究所
・研究実施場所:精密工学研究所(すずかけ台)
・研究開発項目:2)異種材料との接合技術
(接着、解析)
2005年度から下記機関を追加
兵庫県立大学
・研究実施場所:大学院工学研究科
・研究開発項目:4)リサイクル技術
(分離技術/新規解体性接着剤)
p.12/56
事業原簿 Ⅱ−3
2.研究開発マネジメントについて
公開
(3)研究開発の実施体制
◆開発予算
(単位:百万円)
'03
'04
'05
'06
'07
合計
157
257
367
536
140
1,457
2) 異種材料との接合技術の開発
51
13
11
9
2
87
3) 安全設計技術の開発
17
26
77
201
123
444
4) リサイクル技術の開発
19
19
50
21
18
127
244
315
506
767
283
2,115
1) ハイサイクル一体成形技術
合 計
p.13/56
事業原簿 Ⅱ−8
2.研究開発マネジメントについて
公開
(4)研究の運営管理
・PL主催による「技術推進委員会(年4回)」開催
外部有識者の意見を運営管理に反映
氏名
所属 部署
役職
黄木景二
愛媛大学大学院 理工学研究科 生産環境工学専攻
教授
武田展雄
東京大学大学院 新領域創成科学科先端エネルギー工学専攻 教授
松川不二夫
日本自動車研究所(JARI)安全研究部
山部昌
金沢工業大学 工学部 機械工学科
主席研究員
教授
(敬称略・順不同)
・その他、以下の委員会を開催
「進捗フォローアップ会議(年4回)」 研究内容の進捗状況確認と今後の方針を協議
「用途探索研究会(年2回)」 技術の実用化検討を協議
「特許出願検討会(年1回)」 特許出願内容の掘り起こし・ブラッシュアップ
p.14/56
事業原簿 Ⅱ−9
2.研究開発マネジメントについて
公開
(5)情勢変化への対応 ◆加速財源投入実績 (何れも2006年度)
金額
(百万円)
件名
安全設計技術の開
発促進のための車
体用部材試作型の
購入
車体用ハイサイクル
樹脂成型品の部材
耐久性評価装置の
購入
ハイサイクル成形用
中間プレートの加圧
式大型賦形装置の
購入
目的
成果
50
安全設計技術確立とCFRP車体の実用
化を一層加速するために、理論・シミュ
レーションに加え、車体の殆どの部材を
CFRP化した状態での衝突実験を行い、
結果を理論に反映させながら検証する。
車体の殆どの部材をCFRP化した状態での1
次設計による衝突試験のデータより、3次設計を
起案し、最終衝突試験を実施した。その結果、目標
である1.5倍のエネルギー吸収を達成し、基
本計画の目標を達成した。
70
実用化に近づいてきたことも踏まえ、自
動車メーカーから、CFRPの疲労データ
ベース構築、および、劣化モニタリング
法の確立、の要請がある。本要請に応
えるべく、疲労強度データベース構築、
および、高温環境下、疲労加重下にお
ける劣化のモニタリングシステム開発、
を検討し、更に得られた結果を信頼性を
向上できるCFRPの材料設計にフィード
バックする。
60
プラットフォーム(フロントフロア)の一体
成型に用いる樹脂製中間プレートを作
製するための「加圧型大型賦形装置」を
導入する。なお、樹脂製中間プレートと
は、ハイサイクル多点注入法に必須の
副資材(多孔板)のことを指す。
疲労データベース構築のための疲労試験システムの
構築を完了させ、従来はSN線図しか評価することが
出来なかった疲労特性を、剛性低下率など新たなパ
ラメーターを測定できるようなモニタリングシステムを
確立した。また、非破壊検査装置(読み取り顕微鏡な
らびに赤外線画像応力装置)と併用することで構造
物の応力集中も評価できるモニタリングシステムを構
築した。その結果、自動車用材料としての疲労
データベース構築ならびに独自のモニタリン
グシステムを確立し、実用化に向けた信頼性に関
する検証が加速された。
左記の樹脂製中間プレートを用いたハイサイクル多
点注入法でフロアパネルを成形した。その結果、実際
に10分成形を実証し、基本計画の目標を達
成した。
p.15/56
事業原簿 Ⅱ−10
2.研究開発マネジメントについて
公開
(6)中間評価結果への対応
「概ね現行通り実施して良い。」との評価。
下記は、主な指摘事項に対する対応。
指摘
1
リサイクル技術の解体性接着技
術剤の開発が、遅れているので
はないか?
2
安全設計技術の解析精度の向上
に努力して欲しい。
3
開発資金を回収しながら技術を
磨き、本格的普及に備える「仮の
需要」が必要と思われる。
対応
解体性接着剤の開発には、兵庫県立大学を再委託先に加えて
検討を加速した。その結果、解体性接着剤について遅れを挽回して最終
目標を達成した。
高速度カメラを新規購入し、CFRPの破壊モード(逐次圧縮破壊)
の詳細観察を実施した。その結果から、逐次圧縮破壊を再現するために
層間剥離を考慮した解析モデルを作成し、解析精度5%を達成した。
さらに、加速財源を投入し試作したCFRP車体の衝突実験を行い、
解析モデルの妥当性を確認した。
石油価格が高騰し、自動車業界としてもCFRP採用の機運が高まっている。
また、「仮の需要」としては、航空業界からの省エネ&環境対応に
対する強い要望による爆発的な普及が挙げられる。また、波及効果
が期待される土木建築用途や再生可能エネルギー用途(風力発電)の風車
ブレードなども想定される。
p.16/56
内容
公開
研究開発の成果について
1.プロジェクトの背景と目標
2.CFRPの現状と課題
3.開発目標と達成度
4.検討内容
4−1.ハイサイクル一体成形技術
4−2.異種材料との接合技術の開発
4−3.安全設計技術の開発
4−4.リサイクル技術の開発
5.成果の発表
実用化、事業化の見通しについて
6.事業化までのシナリオ
7.波及効果
p.17/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅰ− 9
1.プロジェクトの背景と目標
1990
全
車
重
1995
2000
ZEV法
リサイクル法
NCAP
EU NCAP
CAFE規制
kg
2010
2005
環境・安全
AL合金/GFRP(短繊維強化)
500
CFRP(連続繊維強化)
▲本事業
目標
スチール
0.5
1.0
(車体重量) (200kg) (400kg)
(エネルギー吸収)
◆EU規制(25%燃費改善)
◆国内規制(燃費23%改善)
▲TECABS(欧)
安全
2015
▲AL合金開発(日)
高張力鋼
1000
軽量
公開
1.5
1.0
パネル部材
構造部材
ドアパネル
フード
ルーフ
トランクリッド
120kg
(30%)
280kg
(70%)
フロントサイドメンバ
1.5t車
サイドシル
プラットフォーム
p.18/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅰ− 4
2.CFRPの現状と課題
公開
■ 自動車材料の比強度と比剛性
比強度 σf/ρ(MPa/g/cm3)
500
400
CFRP(連続繊維)
300
チタン合金
200
Mg合金
鋼
材
高張力鋼
100
GFRP
アルミ合金
CFRP(短繊維)
自動車用
冷延鋼板
0
0.0
0.5
1.0
比剛性
1.5
2.0
3√E/ρ(√GPa/g/cm3)*
2.5
*曲げ剛性
p.19/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅰ− 5
2.CFRPの現状と課題
公開
■ 世界炭素繊維市場の変遷と予測
成長期
拡大期
本格拡大期
飛躍的拡大期
(1984−1993)
(1994−2003)
(2004−2011)
(2012- )
自動車用途本格拡大
ボーイング787プロジェクト
エアバスA380 一次構造材
航空機不況
米国同時多発テロ
通信衛星用途拡大
産業用途本格化
ボーイング777 一次構造材
エアバスA320 一次構造材
40
テニスラケット & ゴルフシャフトブーム
60
ボーイング757 & 767 二次構造材
80
人工衛星
100
ボーイング737 二次構造材
120
世界的な航空機不況
千トン/年
ゴルフシャフト・釣り竿の開発
140
導入期
(1971−1983)
産業用途
20
航空宇宙用途
0
1970
スポーツ用途
1975
用
途
限定分野
備
考
高品質
釣竿
航空機二次構造材
1980
1985
1990
用途拡大
テニスラケット
ゴルフシャフト
航空機一次構造材
品種増大
成形加工技術の進歩
1995
2000
産業用途本格化
圧力容器
産業機械、船舶
土木建築、補修補強
コストダウン
大型構造材
2005
2010
2015
2020
航空用途急拡大・自動車本格化
航空大型プログラム
風力発電
自動車関連、海底油田
加工法多様化
リサイクル対応
p.20/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅰ− 5
2.CFRPの現状と課題
公開
機体重量に占める複合材料の割合(%)
■ 航空機への複合材料の適用
100
Voyager
V22
80
Avtek 400
LHK
Stership
Learfan
2000
60
回転翼機
ビジネスジェット
787
ATF
小型機
40
EAP JAS39
Rafal D
X29 Rafal
AV8B
ATR72
S76
20
F18
F15
F14
0
1970
F16
ATR42
757 A300
767
1975
1980
A320
A310
1985
大型機
A340 777
1990
1995
A380
A340-600
2000
2005
2010
初飛行年
p.21/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅰ− 6
2.CFRPの現状と課題
公開
■ CFRP製フード(ボンネット)
スチール品比 60%軽量
アルミ品比 30%軽量
→ 燃料消費率向上
→ 車両バランス向上(ハンドリング性)
カーボンフード
カーボンフード
(CFRP製エンジンフード)
(CFRP製エンジンフード)
p.22/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅰ− 6
2.CFRPの現状と課題
公開
■ CFRP製プロペラシャフト
対スチール品比 50%軽量
→ 低振動化、静粛性向上、 衝突時の安全性向上
CFRP製プロペラシャフト
※三菱自動車資料
※三菱自動車資料
※三菱自動車資料
三菱パジェロ全車標準
(1999/06-)
※マツダ資料
※日産資料
日産フェアレディZ 全車標準
マツダRX-8 MT車標準
(2002/08-)
(2003/04-)
※Aston Martin資料
Aston Martin Vanquish他
(2005/01-)
p.23/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅰ− 6
2.CFRPの現状と課題
公開
CFRP消費量 [t] (CFRP重量×生涯生産台数)
■ CFRP製自動車部材の開発状況
500
スーパーカー・超高級車
高級車
プリプレグ成形
従来RTM成形
ハイサイクル
RTM成形
400
欧州
米国
日本
300
Porsche
Carrera GT
Ferrari
Enzo
200
Vanquish
100
McLaren F1
0
1996
1998
2002
ハイサイクルRTM成形
プレス成形、射出成形
Viper SRT-10
三菱 Lancer
EvolutionⅧ
日産 GT-R
2000
普及車
Mercedes Benz SLR
日産 GT-R
Chevrolet Corvette Z06
2004
EvolutionⅨ
2006
2008
2010
2012
2014
2016
p.24/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅰ− 8
2.CFRPの現状と課題
公開
■ CFRP成形法のサイクルタイムと成形品サイズの関係
秒
10 6
10
5
10
4
10 3
(10日)
ハンドレイアップ
プリプレグ
(25時間)
大型箱形構造体
(トラック、リーファー
ハウジング)
建築部材
(屋根材、トラス)
FW
(150分)
RTM
成形サイクル10分
(30000台/年・型)
SMC
10 2
箱形構造体
(ホームエレベータ)
自動車用部品
新規成形法
(世界最速レベル)
射出成形
10
10cm
(車体、プロペラシャフト)
非構造部材
情報機器(カバー)
1m
10m
100m
成形品サイズ
p.25/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅰ− 8
2.CFRPの現状と課題
公開
■ 10分サイクル成形(ハイサイクル一体成形)によるコストダウン
現状(RTM)
その他
償却費
10分サイクル成形法
その他
検査費
材料費
材料費
償却費
検査費
成形加工費
成形加工費
対象:フード(約2㎡)
金属製とほぼ同等
p.26/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅰ− 7
3.研究開発の内容、目標と達成状況
公開
■ 本プロジェクトの研究開発テーマ
リサイクル
原料
/素材
加工
①ハイサイクル
一体成形技術
リユース
組立
②異種材料との
接合技術
運用
③安全設計技術
廃棄
④リサイクル技術
実用化を見据えて、研究開発テーマを厳選抽出
p.27/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ− 3
3.研究開発の内容、目標と達成状況
検討項目
1)
①
超高速硬化型
成形樹脂の開
発
ハイサ
イクル ②
一体成
形技術
立体成形賦形
技術の開発
③
高速樹脂含浸
成形技術の開
発
異種材
料との
2) 接合技 ①
術の開
発
①
安全設
3) 計技術 ②
の開発
最終目標
成果
ガラス転移温度100℃以上で、流動可能 流動可能時間3分、樹脂硬化時間5分、脱型時間1分
時間3分(粘度300センチポイズ以下)、 以内を達成し、かつ、ガラス転移温度140℃以上の耐
樹脂硬化時間5分、脱型時間1分以内に 熱性ハイサイクル成形樹脂HR01を開発した。
多軸ステッチ基材製造装置を導入し、ハイサイクル成
プラットフォーム成形において基材配置 形用基材を創出した。
時間を1分以内にする。
プラットフォームを構成するフロントフロアについて、移
載装置によりプリフォームの配置時間1分を達成した。
達成度 今後の課題
◎
長期信頼性の評価
材料ばらつき
使用環境の影響
○
多軸基材での賦形技術
多点注入方式による高速樹脂注入技術を開発し、フロ
プラットフォーム成形において樹脂含浸
ントフロア成形において樹脂含浸時間2.5分を達成し
時間を2.5分以内にする。
た。
○
成形品のばらつき
多軸基材の含浸成形技術
スチール、アル
ミ等/複合材料
接着技術の開
発
スチール、アルミ等と同等以上の接合技
術を開発する(自動車環境下-40∼80℃ スチール、アルミ等と同等以上の接合技術を開発し
の温度範囲内で引張剪断試験法による た。
接着強度が20MPa以上)。
○
接着・接合面の信頼性の構築
信頼性評価技術
樹脂の動的解
析技術の開発
衝撃破壊のシミュレーション化(スチール
比50%軽量、耐衝撃性能1.5倍)、破壊 衝撃を受けるCFRP製エネルギー吸収部材の破壊挙
挙動を5%以内で予測可能な計算手法 動を精度5%以内で予測可能な計算方法を確立した。
を確立する。
○
動的破壊の実験精度向上
スチール、アル
ミ等/複合材料
ハイブリッド構
造体の設計・解
析技術の開発
ハイブリッド構造に特異な材料挙動(複
合材料の脆性と金属材料の塑性を併せ ハイブリット構造部材の設計、解析手法を確立した。
持つ)を再現できる3次元解析手法を確 CFRP製センターピラーにてスチール比70%軽量、耐
立し、モデル設計(スチール比50%軽
衝撃性能2.3倍を確認した。
量、耐衝撃性能1.5倍)を行う。
◎
長期耐久性の確認
◎
ロバスト性
デバイスの軽量化
エネルギー吸収部材の形状
○
車体分離技術
解体温度のバリエーション
○
性能ばらつき低減のための粉砕技術
長残存繊維化による物性向上
スチール比51%軽量のプラットフォームを設計した。
スチール比50%軽量、エネルギー吸収
またエネルギー吸収量については
量1.5倍(前面衝突・オフセット衝突)を達
前面衝突実験にて1.89倍を実証、
成する。
オフセット衝突解析にて1.58倍を確認した。
スチール、アル
発泡剤として膨張黒鉛を使用した解体性接着剤を開
選択的な温度で金属部と複合材との分
発し、CFRP/金属において5分以内での分離を実証
リサイ ①.1 ミ等/樹脂の分 離を5分以内とする。
離技術
した。
クル技
4)
射出成形によるリサイクルCFRPを作製し、リサイクル
術の開
3回以上リサイクル可能な樹脂製自動車 CFRPの材料物性データを取得した。
発
①.2 再加工技術
部品を試作完了する。
リサイクルCFRPが適用可能な自動車部材を選定、作
製し、部品形状での3回リサイクルを実証した。
目標通り達成:
目標超過達成:
③
公開
エネルギー吸
収技術の開発
○
◎
p.28/56
概要(公開資料)
4−1.成形技術
1.ハイサイクル
一体成形技術
大量生産
3.安全設計技術
公開
①超高速硬化型成形樹脂
②立体成形賦形技術
③高速樹脂含浸成形技術
2.異種材料との接合技術
①樹脂(CFRP)の動的解析技術
②金属/CFRPハイブリッド構造体
の設計・解析技術
③エネルギー吸収技術
①金属/CFRPの 接着技術
4.リサイクル技術
①.1金属/CFRP分離技術
①.2再加工性技術
超軽量・安全設計のCFRP車体
p.29/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ− 5
4−1.成形技術
公開
■ ハイサイクル一体成形技術の開発
RTM
バギ
樹脂含浸 ング
基材
配置
25
樹脂硬化
90
35
ハイサイクル
一体成形法 1 3 5 1
(単位:分)
脱
型
10
合計
合計
10分以下
160分
<ハイサイクル一体成形プロセスイメージ>
樹脂含浸・硬化
基材配置
上型
脱型
樹脂調合
加圧注入
三次元一体賦形基材
下型
成形品
課題 ②立体成形賦形技術 ①超高速硬化型成形樹脂
③高速樹脂含浸成形技術
p.30/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ− 5
4−1.成形技術
公開
①超高速硬化型成形樹脂
(1) 流動可能時間=3分 (粘度300cps以下、硬化度10%以下)
(2) 脱型可能時間=5分 (硬化度90%以上)
目標
高い
硬化度(樹脂粘度)
脱型可能領域
目標
(新規硬化系)
従来 エポキシ樹脂
(アミン系硬化)
樹脂流動可能領域
低い
0
3
35
5
90
時 間
(分)
成形条件:等温
概要(公開資料)
p.31/56
事業原簿 Ⅲ− 10
4−1.成形技術
公開
硬化度 (%)
①超高速硬化型成形樹脂
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
脱型可能領域
耐熱ハイサイクル樹脂[110℃]
ハイサイクル樹脂
℃]
[[105℃]
従来樹脂(アミン硬化)
[100℃]
0
5
目標
10
流動可能領域
15 時間 (分)
従来樹脂
ハイサイクル樹脂 HS3
耐熱ハイサイクル樹脂 HR01
注入100℃
注入105℃
注入110℃
流動可能時間(分)
≧3
2.8
3.0
3.4
脱型可能時間(分)
≦5
18.9
4.7
5.0
ハイサイクル樹脂、耐熱ハイサイクル樹脂ともに目標達成
p.32/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−5
4−1.成形技術
公開
②立体成形賦形技術
外段取りによるプリフォームの自動化
基材準備
賦形
課題
基材固定
・基材の選定
プリフォーム基材
基材
・賦形プロセスの安定化
・プリフォーム固定方法
賦形型
運搬
樹脂含浸・硬化
基材配置
脱型
樹脂調合
上型
加圧注入
三次元一体賦形基材
イジェクタピン
下型
①超高速硬化型成形樹脂
③高速樹脂含浸成形技術
②立体成形賦形技術
概要(公開資料)
成形品
p.33/56
事業原簿 Ⅲ−13
4−1.成形技術
公開
②立体成形賦形技術
◆立体賦形プロセスの自動化
従来法
型紙作成
成形品形状
ハイサイクル一体成形対応
自動立体賦形プロセス
型紙通りにカット
賦形(手動)
・作業者によってバラツキが大きく、
自動化(ハイサイクル成形)への対応が困難
賦形シミュレーションソフト
の活用
3次元モデルから
2次元展開図を作成
カットパターン最適化
自動裁断
自動賦形
・シミュレーションでカットパターンを最適化し、
短時間で安定したプリフォームを作成
→プリフォーム自動化に適する
p.34/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−23
4−1.成形技術
公開
■ フロントフロアプリフォーム作製
賦形シミュレーションによりカットパターン作成
AFM for CATIA V5 Advanced Fiber Modeler使用
<0−90°>
<±45°>
フロントフロア プリフォーム
自動賦形を想定したカットパターン
・多少の歪みを許容し 切り込みを最小限に押さえる
・カットパターンの分断は避ける
・切り込みは重ならないようにする
p.35/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−27
4−1.成形技術
公開
③高速樹脂含浸成形技術
従来RTM成形法
◆基材の面方向に樹脂を含浸させる
樹脂注入
・樹脂の流動距離が長く、(基材の面方向長さ)
流動抵抗が大きいため、樹脂含浸に時間がかかる
・注入口から離れた場所に未含浸ができやすい
樹脂含浸所要時間:35分
プリフォーム
高速樹脂注入法(多孔板樹脂溜まり方式)
樹脂注入
◆基材の厚み方向に樹脂を含浸させる。
樹脂流動溝
中間板
ポート
35 min
・樹脂の流動距離が短く、(基材厚み)
流動抵抗が小さいため、短時間で含浸できる
・成形品の形状、寸法によらず一定時間で注入できる
・未含浸のない高品質な成形品が得られる
目標樹脂含浸時間:2.5分
プリフォーム
p.36/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−31
4−1.成形技術
公開
■ 多点注入方法の検証
一点からの樹脂含浸
多点注入による平板成形実験
<解析条件>
含浸係数:1.0×10-11m2
ポート径:φ5mm
注入圧:0.2MPa
樹脂粘度:10mmPa・s
含浸時間
150s
ポートからの距離
130mm
中間板
ポート間距離を決定
材質:テフロン(PTFE)
注入ポート:19個 φ5mm
ポート間隔:100∼120mm
多点注入方式による含浸シミュレーション
外形:700mm×350mm(1/4モデル)
ポート数:19 ポート径φ5mm
ポート間隔:100∼120mm
含浸完了時間44秒
<成形条件>
基材:CO6343 8ply 0-90積層
350×700mm
樹脂:ハイサイクル樹脂
注入圧:0.2MPa
含浸シミュレーション通り全体に樹脂が含浸
p.37/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−37
4−1.成形技術
■ 多点注入方式によるフロントフロア成形方法
公開
樹脂注入時間2.5分(150sec)
車体・前部フロア構造
点
多
1.45m
従
1.7m
方
入
注
式
樹脂注入時間133分
(大幅に含浸性に劣る)
来
R
TM
法
<モデル仕様>
・形状 :1.7m長×1.45m幅×0.4m高
脂
樹
れ
流
p.38/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−39
4−1.成形技術
公開
■ フロントフロア成形結果
ドアインナーパネル成形品
(H17年度)
<成形条件>
1.1m
・プリフォーム :トレカT700S
・成形品重量:14.96kg
・樹脂注入 :2.5min
・硬化時間 :5min
1.7m
1.45m
フロントフロアのハイサイクル成形を実証
(樹脂注入時間3分以内(150sec) 硬化時間5分)
「大型・複雑形状のCFRP(連続/エポキシ)」を10分以内に成形した事例は
報告例が見当たらず、世界に例のない最高水準の成果といえる。
p.39/56
概要(公開資料)
4−2.接合技術
1.ハイサイクル
一体成形技術
大量生産
3.安全設計技術
①樹脂(CFRP)の動的解析技術
②金属/CFRPハイブリッド構造体
の設計・解析技術
③エネルギー吸収技術
公開
①超高速硬化型成形樹脂
②立体成形賦形技術
③高速樹脂含浸成形技術
2.異種材料との接合技術
①金属/CFRPの 接着技術
4.リサイクル技術
①.1金属/CFRP分離技術
①.2再加工性技術
超軽量・安全設計のCFRP車体
p.40/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−42
4−2.接合技術
公開
共同実施先:東工大
■ 異種材料との接合技術
代表部位
検討項目
共通 CFRP部品同士の接合
【構造用接着剤の開発】
接着強度の検証
従来の車体(金属)と
CFRP部品の接合
A シート取付け部
【接合部設計】
接合強度の検証
B ドア取付け部
強度解析技術の開発
C サスペンション取付け部
【コキュア接着技術開発】
D メンバー取付け部
接着強度の検証
コア
フィッティング金具
CFRP
A
DC
B
エネルギー
吸収部材
サスペンション
メンバ
B
CFクロス
コア
接着剤
A シート取り付け部
CFRP
C
フロントサイド
メンバ前部
ボルト(金属)
コキュア
C サスペンション取付け部
コア
メンバー取付け部
課題:接合部の設計、解析(シートアンカー部など)
解体性接着剤の適用、耐久性評価、データベース構築
概要(公開資料)
p.41/56
事業原簿 Ⅲ−56
4−2.接合技術
公開
共同実施先:東工大
■ 構造用接着剤の開発
引張りせん断強度
◎:20MPa∼、○:5.5∼20MPa、×:5.5MPa未満
接着剤
名称
エポキシ CF/CF
系A
CF/STEEL
CF/AL
エポキシ CF/CF
系B
CF/STEEL
CF/AL
アクリル CF/CF
系A
CF/STEEL
CF/AL
アクリル CF/CF
CF/STEEL
系B
CF/AL
基本強度
環境負荷(1000h)
疲労強度 クリープ 衝撃強度
*1
室温/80℃ 10年後予測値
15m/s
室温 −40℃ 80℃ 80℃ 100℃ 120℃ 吸水
◎
◎
×
×
◎
○
◎
×
◎
◎
○
◎
◎
◎
◎
◎ ○/○
○/◎
◎*2 ◎*2 ◎*2 ○
○
○ ○/○
○
◎
◎
◎
◎
◎
◎ ○/○
○
◎
○
○
◎
○
○
○
◎
○
◎
◎
◎ ○/○ ◎/○
○
◎
○
○
○
○ ○/○
◎
◎
○
◎
◎
◎
◎ ○/×
◎
CF:CFRP
AL:アルミニウム
*1 吸水:室温/80℃(2000h)
*2 スチール前処理としてメッキ層を剥離した。(メッキ層がある場合はメッキ層での界面剥離)
p.42/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−60
4−2.接合技術
公開
共同実施先:東工大
■ 接合部設計
シートアンカー:乗員保護において重要である取付け部
a
<フルラップ衝突>
試験速度:55km/h
b
衝突時にシートにかかる荷
重を考慮し、各取付け点で必
要となる強度を算出し、シート
アンカー接合部を設計。
スチール製部品の検証を併
せて行い、目標値とした。
d
c e
シートアンカー取付部強度試験
負荷方向
引き抜き90゚
設計点25゚
破壊荷重(kN)
目標値
CFRP
面垂直(引き抜き)
21
37
面水平(せん断)
19
19
25゚方向(a点)
11
14
せん断0゚
目標値以上の強度
CFRP試験体
p.43/56
概要(公開資料)
4−3.安全技術
1.ハイサイクル
一体成形技術
大量生産
3.安全設計技術
①樹脂(CFRP)の動的解析技術
②金属/CFRPハイブリッド構造体
の設計・解析技術
③エネルギー吸収技術
公開
①超高速硬化型成形樹脂
②立体成形賦形技術
③高速樹脂含浸成形技術
2.異種材料との接合技術
①金属/CFRPの 接着技術
4.リサイクル技術
①.1金属/CFRP分離技術
①.2再加工性技術
超軽量・安全設計のCFRP車体
p.44/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−88
4−3.安全技術
公開
再委託先:日大
■ 自動車の衝突試験
再委託先:京工繊大
フルラップ衝突
前面衝突
オフセット衝突
各衝突試験に対応する構造
前面衝突
側面衝突
側面衝突
フロントサイドメンバ
ドアガードビーム
課題: ①CFRPの動的解析技術
②金属/CFRPハイブリッド構造体の設計・解析技術
③エネルギー吸収技術
概要(公開資料)
p.45/56
事業原簿 Ⅲ−96
4−3.安全技術
公開
再委託先:日大
■ クラッシュボックスの動的解析
再委託先:京工繊大
CFRPの逐次圧壊を再現するために層間剥離を考慮した解析モデルを作成
表:実験と解析の比較
層間はく離を考慮した解析モデル
実験
解析
最高荷重
172.8kN
174kN
変位量
138.1mm
140.0mm
エネルギー量
12.8kJ
12.1kJ
2.5mm
2.5mm
Rib part :3.9mm
Stacking sequence
: 0 ply
250
200
実験
1解析
shell model
(Model 3)
Load [kN]
2 shell model
150
100
[0/90]6S
50
0
0
50
100
Displacement [mm]
150
図 荷重−変位線図
クラッシュボックス単品で解析精度5%以内を確認した
p.46/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−118
4−3.安全技術
公開
再委託先:日大
■ センターピラーでのエネルギー吸収量確認
CFRP製
スチール製
アウター
アウター( CFRP)ウレタン
フォーム
AL
reinforce
アルミ/CFRPのハイブリット構造により
スチール比で
(1) 2.3倍のエネルギー吸収量
(2) 重量−70%減、を達成
CFRP インナー( CFRP)
(unidirectional material)
インナー
センターピラー断面図
スチール製
CFRP製
エネルギー吸収量
1.0倍
エネルギー吸収量
破壊形態
荷重−変位線図
2.3倍
スチール
破壊形態
荷重−変位線図
CFRP
荷重負荷
スチール
Load (tons)
Load (tons)
荷重負荷
Displacement(mm)
重量11.6kg
Displacement(mm)
重量3.5kg
p.47/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−123
4−3.安全技術
公開
再委託先:京工繊大
■ CFRP車体の台車衝突実験
吸収エネルギー(kJ)
エネルギー吸収部材
スチール比 1.89倍
(解析誤差2%)
解析
CFRP車体
1.89倍
(実測)
1.00倍
スチール車体
変位(mm)
1.89倍
1.83倍
実験との
乖離-2%
1.5倍
330mm時
累積
エネルギー量
基準値
(スチール)
最終目標値
CFRP
実験値
CFRP
解析値
p.48/56
概要(公開資料)
4−4.リサイクル技術
1.ハイサイクル
一体成形技術
大量生産
3.安全設計技術
公開
①超高速硬化型成形樹脂
②立体成形賦形技術
③高速樹脂含浸成形技術
2.異種材料との接合技術
①樹脂(CFRP)の動的解析技術
②金属/CFRPハイブリッド構造体
の設計・解析技術
③エネルギー吸収技術
①金属/CFRPの 接着技術
4.リサイクル技術
①.1金属/CFRP分離技術
①.2再加工性技術
超軽量・安全設計のCFRP車体
p.49/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−132
4−4.リサイクル技術
公開
再委託先:東工大
■ リサイクルフロー(回収以降の構想)
再委託先:兵庫県大
再委託先:東大
分離・解体
5分/パーツ
粉砕
5分/パーツ
再生
自動車樹脂部材用途など
10分以内(成形サイクル相当)
最終目標:金属と樹脂(CFRP)を5分以内で分離する。
3回以上リサイクル可能なCFRP製自動車部品試作する。
課題:
①.1金属/樹脂の分離技術の開発
(解体性接着剤)
②.2再加工性技術の開発
(再利用技術の高度化)
解体性接着剤
p.50/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−137
4−4.リサイクル技術
■ 解体性接着剤の開発
公開
再委託先:東工大
接着剤の解体メカニズム
再委託先:兵庫県大
接着剤の
弾性率・強度
膨張剤の膨張力
目標:
(1)車体の使用環境(80℃)で強度保持
(2)接着剤の塗装工程を鑑み、
150℃以上での分離・解体
80℃
加熱
実寸大供試体
(300mm×300mm)
150℃
分離
冷却後に解体
(金具とCFRPとが分離)
加熱後の様子
(膨張剤により接着機能を喪失)
実接合部材を5分以内で解体実証した
p.51/56
概要(公開資料)
事業原簿 Ⅲ−163
4−4.リサイクル技術
公開
再委託先:東大
■ CFRP粉砕片 → 射出成形
CFRP破砕片
熱可塑性樹脂
ペレット
コンパウンド
射出成形
p.52/56
事業原簿 Ⅲ−164
概要(公開資料)
4−4.リサイクル技術
公開
■ リサイクル回数の及ぼす影響(粉砕CFRP片/ポリプロピレン)
長手方向
1
0
stL 1stT 2ndL 2ndT 3rdL 3rdT 4thL 4thT
F L F T 11回目
バージン
2回目 3回目 4回目
F L F T 1stL 1stT 2ndL 2ndT 3rdL 3rdT 4thL 4thT
バージン
1回目 2回目 3回目 4回目
Izod impact energy
absorption (kJ/m2)
30
垂直方向
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1
stL 1stT 2ndL 2ndT 3rdL 3rdT 4thL 4thT
F L F T 11回目
バージン
2回目 3回目 4回目
25
20
15
10
5
0
垂直方向
2
長手方向
3
垂直方向
4
2
垂直方向
5
再委託先:東大
3
長手方向
6
0
Flexural strength (MPa)
Flexural failure strain (%)
7
長手方向
Flexural modulus (GPa)
8
F L F T 1stL 1stT 2ndL 2ndT 3rdL 3rdT 4thL 4thT
バージン
1回目 2回目 3回目 4回目
破砕しただけのCFRP射出材で3回リサイクル後も目標物性に達することを確認
概要(公開資料)
p.53/56
事業原簿 Ⅴ− 1
5.成果の発表
公開
H15
H16
H17
H18
H19
H20※
計
研究発表・講演
12件
18件
39件
43件
37件
11件
160件
うち査読付き論文
0件
3件
2件
16件
7件
0件
28件
特許出願
0件
5件
2件
8件
9件
(4件)
24件
受賞実績
0件
0件
2件
1件
3件
(1件)
6件
新聞・雑誌等への掲載
0件
1件
20件
14件
19件
18件
72件
展示会への出展
1件
0件
0件
0件
1件
0件
2件
※ : 平成20年度10月27日現在
(括弧) : 平成20年度内の実施予定案件
p.54/56
概要(公開資料)
事業原簿 (公開)Ⅳ− 1 (非公開)Ⅳ− 3
6.実用化、事業化見通しについて
2003 2004
2005
▲
③高速樹脂含浸技術
▲
異種材料
との接合
①金属/複合材料
接着技術
実用化検討
●
●
▲
●
①エネルギー吸収技術
▲
安全
設計
モデル
車体設計
●
②CFRP動的解析技術
▲
事業化検討
③金属/CFRPハブリッド構造体の
設計・解析技術
●
①−1金属/樹脂の分離技術
▲
①−2再加工性技術
波及効果
車輌、トラック、ロボット、建築用パネル等
●
▲
▲:基本原理確認
実用化検討
●
▲
リサイクル
事業化検討
事業化(炭素繊維協会)
●
●:基本技術確立
p.55/56
概要(公開資料)
事業原簿 (公開)Ⅳ− 2 (非公開)Ⅳ−16
7.波及効果
2005
輸送機器分野
バス
トラック
2010
エネルギー
吸収技術
研究
開発
建築分野
エネルギー
吸収技術
軽量耐震
パネル
電磁波シー
ルドパネル
ハイサイクル大型
一体成形技術
゙
キ
ル
ネ
エ
他分野
帯電防止
カバー、
トレイ
ヒーター
公開
2015
2020
架装部材への適応検討
ハイサイクル大 材料試験 試作車の
型一体成形技術 要素試験 試運用
実用化
鉄道車両
風車
ブレード
超軽量・
安全車体の事業化
②立体賦形技術
2008 ∼ 2012 ∼ 2015近傍
外板の事業化
ハイサイクル
一体成形
▲ ●
2007
プラットフォーム試作
外板︵
ドア︶
試作
①高速硬化成形樹脂
2006
公開
試作、要素試験
ハイサイクル大型
一体成形技術
実車衝 実用化
突試験 検討
実用化
検証実験部材設計
研究開発
実用化検討
研究開発
実用化
実用化
実用化
検証実験部材設計
実用化
リサイクル技術
試作、要素試験 実用化検討 実用化
p.56/56
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