炭素繊維強化プラスチック(cfrp)部品の量産化に向けた 樹脂...
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炭素繊維強化プラスチック(CFRP)部品の量産化に向けた
樹脂含浸シミュレーション技術の開発
日産自動車株式会社
生産技術研究開発センター
エキスパートリーダー
水谷 篤2020年9月3日
技術開発の背景
技術開発の背景 ニッサングリーンプログラムの目標は、CO2排出量を2022年までに40%削減、2050年までに90%削減すること
達成のためには、電動化に加えて車両の軽量化技術が必要
各国の 規制 2022年以降、規制はより厳しくなり、2025年以降はEUが最も厳しい
電動化と車両重量
5
現行モデル 次世代モデル
エンジン車 EV
車両
質量
(kg
)
スチール高強度化・構造改善
アルミ化
EV固有部品
アルミ化
性能向上規制対応
エンジンT/Metc.
①衝突試験強化対応
②車外騒音規制強化等
サスペンションブレーキ etc
EV化による増加バッテリー
インバーターモーター
マルチマテリアルCFRP化
エンジン車の燃費向上、電動化によりバッテリー、インバーター、モーターの重量が増加することに対応するため、さらなる軽量化が必要
軽量化と車体マルチマテリアル化
0%
スチール
アルミ
2015 2020 2025
軽量
化率
ー30%
ー50%
ー10%
マルチマテリアル化
高強度スチールやアルミ、CFRPなど、材料の特性に合わせて、複数の材料を車体に適用することで更なる軽量化が可能
の現状課題
軽くて強い炭素繊維強化プラスチック(CFRP※)
直径
髪の毛よりも細い炭素繊維。強度や剛性に優れ、鉄に比べ約50%の軽量化
炭素繊維強化プラスチックCFRPは、炭素繊維を樹脂で固めたもの
出典:炭素繊維協会HP
<炭素繊維強化プラスチック><炭素繊維>
+
炭素繊維の断面写真 炭素繊維のロール樹脂
炭素繊維シート
※CFRP:Carbon fiber reinforced plastic
断面拡大写真
硬化材
CFRP
材料 比重強度
(MPa)比強度
(104m)剛性
(GPa)比剛性
(106m)
スチール 7.8 780 1.0 210 2.7
アルミ 2.7 370 1.4 72 2.7
CFRP 1.5 600-1,600 4.0-10.7 60-120 4.0-8.0
日産におけるCFRP部品の採用例
フロントバンパー
フード
ルーフスポイラー
トランクリッド
リアバンパー
フェンダーシルカバー
GT-R NISMO 2020年モデル
現在は、GT-R NISMOを中心に限定的に採用
CFRP自動車部品への適用の難しさ 課題はコストと生産性。コストは、鉄部品の約10倍
材料の特性上、製造プロセスが複雑で、成形時間が長い
炭素繊維
炭素繊維シート(図はプリプレグ※1)
繊維方向繊維と垂直方向
<材料の特性> <製造プロセス>
炭素繊維
シート
シート
カット
積層
(腑形)成形
※1 プリプレグ:炭素繊維に樹脂を含浸させたシート
積層設計
樹脂
0度方向+
45度方向+
-45度方向
直近の約10年で大幅に生産スピードは向上
更なるスピード向上を目指して、成形方法は革新中
成形における生産スピードの革新
RTM工法(Resin Transfer Molding)
約10分 約2分約180-240分
AC工法
(Autoclave)
C-RTM工法(Compression-Resin Transfer Molding)加圧
真空
成形型成形型 成形型
真空 樹脂注入
樹脂炭素繊維
(積層品)
上型
下型
樹脂炭素繊維
(積層品)
上型
下型
隙間
炭素繊維積層品
炭素繊維積層品
成形における技術課題 炭素繊維シートをプレスすると皺や折れ曲がりが発生⇒成形不良の原因
樹脂が固まる前に、製品の末端まで流すことが必要
樹脂が炭素繊維の中を流れながら硬化!平面の炭素繊維織物を、立体的で複雑な部品形状に!
炭素繊維織物
試験形状(センターピラー)
繊維が乱れる
樹脂
の硬
さ(
粘度
)
液体
CFRP製品断面
プレス 固体
時間
樹脂が末端まで流れずに硬化
上側(樹脂注入側)
下側
樹脂の硬化が進む
による成形方法
成形の模式図
炭素繊維織物
における日産独自のシミュレーション開発
C-RTMの成形方法の技術課題 設計要件や材料の種類にあわせ、生産の目標を満足する部品及び金型を製作するためには、
トライアル&エラーで大幅な開発期間と製作費が必要
従来
開発後
型
設計
型
製作成形
型
修正
型
設計
型
製作成形
製品
評価
シミュレー
ション
<開発期間の短縮>
樹脂注入口
真空引きポート
<部品及び金型設計>
成形型
材料
・炭素繊維シート種類・樹脂の種類
設計
・炭素繊維シート積層設計
・製品形状,厚み
生産
・成形サイクル・品質
樹脂ビード
成形型
修正成形
製品
評価
型
修正成形
-50%
C-RTMシミュレーションの技術課題 既存のシミュレーションでは、最終充填時の実験結果とシミュレーション結果がアンマチッチ 樹脂が流れない部位(未含浸)の予測が困難
実験結果
シミュレーション結果
樹脂
未含浸
樹脂
未含浸
未含浸
樹脂注入
右図は製品の裏側からみた樹脂の流れの状態
成形型
炭素繊維積層品
樹脂含浸シミュレーション開発 ~摩擦力と樹脂の流れ~ 炭素繊維の上を流れる樹脂の摩擦抵抗を計算条件として考慮
透明金型により、炭素繊維と樹脂の流れの関係を明確化
金属表面の流れ
樹脂注入口
透明金型
炭素繊維上の流れ
成形型
樹脂炭素繊維
(積層品)
上型
下型
隙間
※真上から撮影
樹脂と接する金型内と炭素繊維積層品の流れに注目
120
122
124
126
128
130
0 5 10 15 20 25 30 35
型内
セン
サー
温度
(℃
)
成形時間(sec)
樹脂含浸シミュレーション開発(樹脂の温度変化に着目)
樹脂含浸係数繊維の中を進む樹脂の流れ易さの係数
流れ易い
流れ難い
k
炭素繊維(積層品)
樹脂の流れにともなう温度変化を測定し、金型内の見えない樹脂の流れを可視化
繊維の厚みに応じた含浸係数ロジックを算出
樹脂
温度変化による樹脂の流れ時間を計測
金型温度 120℃樹脂温度 80℃
温度センサー実験金型
温度センサー
従来のVf※1のみ
板厚を追加
Z方向
X-Y方向
※1 Vf繊維密度:部品重量あたりの炭素繊維の含有率
樹脂含浸シミュレーションの成果 シミュレーション精度が向上
本シミュレーションにより、ゲートや樹脂ビードの形状を見直し、性能を満足する部品を開発
実験結果
シミュレーション結果
<実験とシミュレーションの結果> <本シミュレーションによる部品開発>
実部品
樹脂ビード形状変更
樹脂ビード
製品コーナR形状変更
センター ピラーレインフォース
上側
下側
開発前 開発後
A’
A
断面A-A'
未含浸部位
Thank you