成果報告書詳細
管理番号100012445
タイトル平成15年度-平成19年度成果報告書 「地球温暖化防止新技術プログラム 自動車軽量化炭素繊維強化複合材料の研究開発」
公開日2009/4/16
報告書年度2003 - 2007
委託先名東レ株式会社 日産自動車株式会社
プロジェクト番号P03005
部署名ナノテクノロジー・材料技術開発部
和文要約運輸部門における自動車の省エネは、地球温暖化の抑制(CO2削減)とも絡んだグローバルな要請であり、国内でも燃費改善の検討が積極的に進められている。燃費改善の切り札は車体の軽量化であり、そのための手段として、スチールからアルミニウムなどの軽金属材料への転換、更には、先進複合材料の適用を自動車メーカーが中心で検討を行っている。しかし、経済性、量産技術や組立加工技術、衝突安全性、リサイクルに関して、金属材料に対して信頼性が不足していることから、未だ自動車分野での本格実用化の域には達していない。そこで、部材・素材メーカーと自動車メーカーがプロジェクトリーダーになり、次世代量産CFRP自動車実用化のため研究開発(ALSTECC)を実施した。先進複合材料の中でも最も軽量化効果の高いCFRPを自動車分野に本格適用し、実用化を促進するために、自動車のライフサイクルに即した以下の4つの研究開発課題を抽出した。(1)部材生産および加工のフェーズでは、金属材料と同等の量産技術、すなわち、数分オーダーの成形サイクルを達成する必要がある。同時に、成形サイクルの短縮は、CFRPのコストダウンにも直結する極めて重要な課題である。現行のCFRP製自動車フードの生産は、RTM成形でエポキシ樹脂を使った160分サイクルであるが、その成形時間の半分以上が樹脂の硬化に要する時間である。成形サイクル10分以下のハイサイクル一体成形を目的として、樹脂含浸が容易でかつ硬化時間の短いRTM成形用のハイサイクル成形樹脂を研究開発した。それに伴い、開発する本ハイサイクル成形樹脂用に従来RTM方法と異なる新規成形方法を、さらに、RTM成形に用いるプリフォームに関して立体賦形および搬送の自動化技術を開発した。(2)自動車組立および製造工程のフェーズでは、CFRP部材と金属材料との接合技術が必要である。本プロジェクトでは、自動車が曝される温度環境下(-40-80℃)での異種材料間の接着力の耐久性を評価した。また、接合部構造の設計・解析を実施し、車体接合部の要求強度を達成できることを確認した。(3)自動車運用中の安全のフェーズでは、衝突安全性の確保が重要な課題である。本プロジェクトでは、CFRPエネルギー吸収部材およびハイブリッド構造体の解析技術を開発し、本手法を適用することで、スチール比1.5倍のエネルギー吸収、50%軽量化を達成するCFRP車体の構造設計を完了した。エネルギー吸収技術には、材料レベルで高いエネルギー吸収性能を発現することができるCFRPの逐次圧縮破壊を適用した。また、衝突時のエネルギーを吸収するフロントサイドメンバ部材をCFRPで構造設計すると同時に、車体前部の試作ならびに衝突試験を実施し、スチール比1.5倍のエネルギー吸収を実証した。(4)廃棄処理のフェーズでは、CFRP自動車の部材レベルでのリサイクルが必要になる。現行のCFRPのリサイクルは、粉砕後にコンクリート補強物などとして使用されているが、自動車部材のリサイクル品は、再度自動車部品として使用されることが望ましい。そこで、本プロジェクトでは自動車部材としての再加工性、その力学特性に関して研究開発を実施した。同時に、廃棄処理時の易解体性を確保するための解体性接着剤の研究開発も実施し、自動車が使用される環境下では接着剤として機能し、150℃で解体できる基本処方を確立した。
英文要約Title: The Innovative Technology Program for Automobile Lightweight Structural Elements of Carbon Composite for the Relief of Global Warming (FY2003-FY2007) Final Report To reduce the amount of CO2, which is the main cause of global warming, fuel consumptions by automobiles should be considered. One of the most energetic efforts observed among automobile manufacturers has been the mileage improvement. The most possible candidate is to reduce weight of the Body-In-White (BIW). To do so, automobile manufacturers are studying the possibilities to replace conventional steels with light metal materials such as aluminum, and more importantly, advanced composite materials. Yet, to reach the full-scaled practical use in automobiles, more studies for economic potentials, mass productivity, assembly processing, collision safety and recycling are needed. Therefore, material, part and automobile manufacturers have started working together in a R&D project, namely Automobile Lightweight Structural Elements of Carbon Composite (ALSTECC), for next-generation technologies of mass production of CFRP structural elements for automobiles. Four R&D phases are considered for an automobile life cycle as follows. (1) The part production phase. It is necessary to achieve the next generation mass production technologies equal to metal material molding cycle time, i.e., in the order of several minutes. Shortening of the molding cycle time is very important issue to reduce fabrication cost for CFRP. Previously, it took 160 minutes to mold a conventional engine hood by RTM method. However, with our innovative short cycle RTM method that provides ease of impregnation with a rapid-curing epoxy resin and our preform automation technologies for 3D shape deforming and transportation for the RTM method, the time has been shorten to 10 minutes or less. (2) The assembling and manufacturing phase. It is necessary to achieve good bonding between CFRP and metal parts. In the project, the joint structures have been designed to sustain hostile environments, i.e., -40 to 80 degrees C where automobiles are exposed to. Our analysis for durability of the adhesive joints at these environmental conditions showed that the required strength for automobile structures was achieved. (3) The driving phase. The crash safety is an important subject. In the project, energy absorption technologies which include crush tube and hybrid structures have been explored. These technologies have helped the design of CFRP automobile structure which is successfully 1.5 times safer and 50% lighter than that of steel. Our full lap frontal crash test result for the front section of BIW has demonstrated 1.5 times higher energy absorption compared to steel. (4) The disposal phase.
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