日産、車体軽量化に効くカーボン素材での量産化技術を開発。2024年の実用化を目指す

2020年9月3日、日産は、カーボン＝CFRP（炭素繊維強化プラスチック）部品の量産車適応に目処がついたと発表した。


 
CFRP部品は、重量がスチールの約半分のため、大幅な軽量化が見込める。しかし、工法によっては生産に3〜４時間もかかり、コストはスチールの約10倍と、量産車に使えるレベルではなかった。しかし今回発表された新技術により、時間は２分、そしてコストも大幅に削減。2024〜2025年には量産大型SUVの車体構成部品として採用していくという。
 
CFRP部品のメリットは、まず軽量化だ。特にEV（電気自動車）やHV（ハイブリッド車）は、バッテリーなどで車重は重くなる傾向にある。例えば航続距離を伸ばそうとすれば、バッテリーは大型化し、重くなる。そうなると、エネルギー効率も悪化するというジレンマに陥っていた。この、熱効率の理論限界に大きく関わるのが重量で、そのため車体全体での軽量化は、これまで以上に重要性が高まっている。
 
CFRPは、炭素繊維を樹脂で固めたものだ。素材としての重量は、スチール比で50％。しかし、量産化には課題が多かった。まず、コストが高い。クルマの部品は形状が複雑なため、強度や衝突安全などの性能を満足させる金型をつくるのに、莫大な開発時間と制作費が必要になる。また、生産においても、プロセスが複雑で時間がかかり、さらに形状が複雑だと品質が不安定になるという問題もあった。



そこで日産は、金型の開発時間を大幅に短縮するために、新しいシミュレーション技術を開発した。
CFRPは、金型の中で炭素繊維に樹脂を流し込むのだが、その樹脂が均等に行き渡らない（未含浸）の部分がでてしまう問題があった。これまでは、シミュレーションと実験の結果が合わないことが多かった。そうなると、金型製造、実験、修正、実験、修正、実験、修正……と、開発期間ばかりが伸びてしまい、結果、コスト増に繋がっていた。
 
今回は、目に見えない金型内の樹脂の流れを正確にシミュレーションするため、20以上の条件を設定した。金型に温度センサーを取り付け、そこから得られた樹脂温度の変化から、金型内の樹脂の流れを可視化。それにより、炭素繊維と金属の上を流れる樹脂の摩擦抵抗や繊維の密度だけではなく素材の板厚に応じた含浸係数ロジックなどを導きだし、シミュレーションの精度を大幅に向上させた。設計初期から樹脂の通り道（ビード）を適切に設計できたため、開発期間は約50％も短縮。コストも大幅に下がる
 
CFRPの製造方法も進化を遂げている。
かつては、真空の釜の中で焼き上げるオートクレーブ（AC）工法が主流だったが、これは部品製造に３〜４時間かかっていた。近年は、RTM（Resin Transfer Molding）工法といって、まずドライ状態の炭素繊維を成形型で挟み込み、そこに樹脂を流し込み、行き渡ったところで加熱して樹脂を硬化させる工法になってきた。これだと、約10分でひとつの部品を作れる。
今回日産は、複雑な形状でも品質が高く、さらに生産スピードが上げられる「C-RTM（Compression-Resin Transfer Molding)工法」を開発した。



これは、まず金型にドライ状態の炭素繊維を挟み込むが、このときにぴたっと閉じてしまわずに、少しだけ隙間を空けておくのが特徴。そこに樹脂を高圧で押し込むことで、樹脂が均等に行き渡る。そのあと、金型を閉じて圧をかけ、120度の高温で化学変化（硬化）させるのだ。
これにより、なんと生産スピードは２分にまで短縮。AC工法とは比べものにならず、RTM工法と比べても80％の時間短縮を実現した。量産車の製造に間に合う部品生産スピードを手に入れたわけだ。
 
 
今後日産は、CFRPとハイテン材、アルミを組み合わせた複合部材でボディを製造。ちなみに、CFRP部品は補強としてではなく、ピラーなどメインの部材として使われ、車体で見ると80kg程度の軽量化を実現するという。日産が、「ニッサングリーンプログラム」で掲げている、CO2排出量を2022年に40％減、2050年に90％減。そのためにはパワートレーンの電動化だけでなく、車体全体の軽量化も必達目標だ。カーボンが、スポーツカーなどの特殊なクルマの素材ではなく、ごく普通の量産車にも使われる未来は、すぐそこまで来ている。

〈文＝ドライバーWeb編集部〉