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(1)

自動車技術会

疲労信頼性部門委員会企画シンポジウム

2013/11/20

於、発明会館ホール（東京虎ノ門）

量産車用熱可塑性

CFRPの開発動向

東京大学

髙橋淳

2008年 人口一次エネルギー供給量最終エネルギー消費量 OECD 1190 百万人 4.56 石油換算トン/人 3.11 石油換算トン/人 非OECD 5498 百万人 1.24 石油換算トン/人 0.86 石油換算トン/人

費

量

1.6 Conversion loss

世界のエネルギー消費構造

液体燃料が乗り物に使われる理由

 保管が容易

液体燃料が乗り物に使われる理由

 保管が容易

の

最終

エ

ネ

ルギー

消

費

：

石油換算トン／人

）

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Electricity Combustible Gas Oil Coal 時のロス自家消費暖房用の灯油プラスチックス潤滑油

 保管が容易

 エネルギー密度が高い

 安い

 保管が容易

 エネルギー密度が高い

 安かった・・・

転換ロス（主に発電時）産業部門運輸部門（主に自動車）家庭・業務非エネルギー使用

OECD 非OECD OECD 非OECD OECD 非OECD OECD 非OECD OECD 非OECD

一人あたり

の

（単位

：

0.0 0.2 0.4 _発電時プラスチックス、潤滑油アスファルト等の原料

日本の化石エネルギー輸入額の推移

320 360 400 80 90 100

yen/liter

yen/$

80 90 100

yen/liter

320 360 400 80 90 100

$/barrel

yen/liter

yen/$

原油輸入

CIF価格の推移 → 欧米で燃費向上の意識高い

／

リットル）

ル

）

120 160 200 240 280 30 40 50 60 70 30 40 50 60 70 120 160 200 240 280 30 40 50 60 70

yen/$

（ド

ル／バレル、

円

／

替

レート

（

円

／

ド

ル

0 40 80 120 0 10 20 30 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 0 10 20 30 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 0 40 80 120 0 10 20 30 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

原油価格

為

替

(2)

費

量

世界のエネルギー消費構造

の

最終

エ

ネ

ルギー

消

費

：

）

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Electricity Combustible Gas Oil Coal 時のロス自家消費転換ロス（主に発電時）産業部門運輸部門（主に自動車）家庭・業務非エネルギー使用

一人あたり

の

（単位

：

0.0 0.2 0.4 _発電時 80 90 100 乗用車商用車バストラック航空機（国内）

日本の運輸部門におけるエネルギー消費量の推移

百万トン） 30 40 50 60 70 航空機（国内）_{船舶（国内）} 鉄道ギー消費量（石油換算百 0 10 20 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 （EDMCエネルギー・経済統計要覧2011等のデータより著者作成） エネルギ 15000 20000 25000 量（ MJ ）

EVは石油消費量を大幅削減するが・・・

二次電池を除く重量

: 850kg

一日の平均走行距離

: 25.4km

電気ガソリン

ガソリン車

0 5000 10000 15000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 エネルギー消費二次電池容量（kWh）

ハイブリッド車

電気自動車

二次電池容量（kWh）

 ハイブリッド車には車体重量と平均走行距離で決まる

最適二次電池容量

がある。

 よって、車体軽量化技術は最適二次電池容量の減少に役立ち、低コスト化

すなわち早期普及に役立つ。

 この電気を再生可能エネルギーから得るとさらなる省エネとなるが、軽量化

はそのコストダウンにも寄与（4kWhは6m

2

_{の太陽光パネルで発電可能）}

費

量

自動車の軽量化技術は世界を救う

電気自動車

_{再生可能エネル}

の

最終

エ

ネ

ルギー

消

費

：

）

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Electricity Combustible Gas Oil Coal 時のロス自家消費

電気自動車

or

最適ハイブリッド車

再生可能エネル

ギーによる発電

プラスチックスの

原料価格低下

転換ロス（主に発電時）産業部門運輸部門（主に自動車）家庭・業務非エネルギー使用

一人あたり

の

（単位

：

0.0 0.2 0.4 _発電時

原料価格低下

(3)

世界の乗用車生産台数・保有台数と目標設定

800 1,000 1,200 1,400 60 70 80 90 100 e nge r aut o mo bile

r

aut

o

mobile

CFRP乗用車 0 200 400 600 800 2010 2020 2030 2040 2050 0 10 20 30 40 50 60 2010 2020 2030 2040 2050 A nnua l pr o duc tio n of pa ss e (millio n) CFRP乗用車の 年間生産台数 CFRP乗用車の_保有台数 1. 乗用車生産台数の増加 分にのみCFRPが適用 されるとする 2. CFの量産開始を2020 年とする

Number

of

passenge

r

(million)

2010 2020 2030 2040 2050 2010 2020 2030 2040 2050 A

 すべての乗用車に

CFRPを適用するには、年間1000万

トン規模の

CFが必要 →

律速は

CF供給量

 すべての関連技術開発が共有できる適切なゴールを設

定して、そこからのバックキャストが必要

1,000 1,200 1,400 60 70 80 90 100

共通のゴール設定と個別目標への落とし込み

r

aut

o

mobile

e nge r aut o mo bile CFRP 乗用車 CFRP乗用車 0 200 400 600 800 2010 2020 2030 2040 2050 0 10 20 30 40 50 60 2010 2020 2030 2040 2050

Number

of

passenge

r

(million)

A nnua l pr o duc tio n of pa ss e (millio n) In the case that CFRP will apply to x % of renewal passenger automotive line. ( x = 10, x = 20) A

開発目標とスケジュール

CF

：コスト、生産量

CFRP ：製造コスト、製造速度、3R

周辺

：

CAE、試験法標準化・・・

2020年から本格適用

2030年に

CFRP車1000万台生産

CF需要量100万トン

単位自家用車トラック風車ブレード旅客機保有量万台 7,0000@2010 10,0000@2030 13,0000@2050 2,8000@2010 3,9000@2030 5,0000@2050 12@2010 100@2030 150@2050 1.5@2010 3.0@2030 4.5@2050 5800@2010 1900@2010 2.5@2010 0.06@2010

炭素繊維生産能力の

_経産省PJ

用途ごとの世界の炭素繊維需要ポテンシャル

年間生産量万台 7500@2030 1,0000@2050 3000@2030 4000@2050 5.0@2030 6.0@2050 0.12@2030 0.18@2050 １台あたりの炭素繊維需要量トン 0.1 0.4 4 25 炭素繊維の年間需要量万トン 580@2010 750@2030 1000@2050 800@2010 1200@2030 1600@2050 10@2010 20@2030 24@2050 1.5@2010 3.0@2030 4.5@2050 １年 20,0000 5,0000 5000 300

炭素繊維生産能力の

抜本的向上が不可欠

_2011‐2015

経産省PJ

工場ごとの生産量年 , , １日 800 200 20 1.2 １時間 50 13 1.25 0.075 理想的な量産プラント数 265@2010 375@2030 500@2050 400@2010 600@2030 800@2050 5@2010 10@2030 12@2050 2@2010 4@2030 6@2050 プラントごとの炭素繊維需要量万トン 2 2 2 0.75

CFRP生産速度の抜本的向上と

リサイクル性の付与が不可欠

経産省PJ

2008‐2012

1,500 2,000 2,500 3,000 労務費光熱費建屋費型費設備費樹脂炭素繊維原価（円 /kg ） 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 原価（円 /kg ）

CFRP部材の将来原価試算（樹脂：PP）

1,000 1,200 g ） 0 500 1,000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 将来原炭素繊維原価（円/kg） 1,600 1,800 2,000 kg ） 0 1,000 2,000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 将来原成形サイクルタイム（分） 0 200 400 600 800 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 将来原価（円 /k g 繊維体積含有率（％） 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 将来原価（円 /k 歩留まり（％）

(4)

熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂

熱硬化性樹脂

TS (Thermosetting resin) 加工時に化学反応を起こし硬化加工前

熱可塑性樹脂

TP (Thermopastics) 融点以上に加熱し、融かして加工加工前 O O O O 加工前・低分子量・高流動加工後化学反応加工前・高分子量・低流動 • 繊維束への含浸 → 容易 • 複合材成形時間 → 長い • 二次加工・リサイクル → 困難 • 繊維束への含浸 → 困難 • 複合材成形時間 → 短い • 二次加工・リサイクル → 容易 • 種類が多く、軽量、安価加工後・高分子量・不溶不融エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル等加工後・高分子量・低流動 PP, PE, PS, PA, PC, PET, POM PEEK, PPE, PMMA, PVC 等 設備名称メーカー／主な仕様設備名称メーカー／主な仕様 HELD （独）・液体（オイル）で加圧するため、均一な加圧が可能・最高温度：３８０ ℃ 最高圧力：８ MPa 最高速度：１５ m/min. ＰＥＩ（仏）（THERMOPLASTIC LINE ５００T) ・ＩＲヒーター、材料搬送装置を装備。加熱-搬送-プレスの一連のプロセスを自動で行える・出力：５００ ton ズ

熱可塑性

CFRPは装置コスト10倍、生産性100倍

液圧式ダブルベルトプレススタンピングプレス成形機盤面サイズ：□８００ mm シャットハイト：３００ mm 最大下降速度：４００ｍｍ/ｓｅｃ. スタンピングプレス成形機川崎油工（TMP2－３００）・ＩＲヒーター、材料搬送装置を装備・出力：３００ ton 盤面サイズ：１２００×１０００シャットハイト：３5０ mm 最大下降速度：３００ｍｍ/ｓｅｃ. エジェクター：油圧、エアダイクランパー：エアダイリフター：エアＢＯＸ型ＩＲヒーター日本ガイシ・インフラスタイン炉・加熱有効面積： □１０００ｍｍ上下各８点独立制御・５０.８ｋＷスタンピングプレス成形機ダイリフター：エアＢＯＸ型ＩＲヒーター加熱冷却自動プレス機ＰＥＩ（仏）・複動加熱冷却自動プレス・出力：３０ ton ・盤面サイズ：□５００ mm ・１プラテン加熱冷却・温度精度２００ ℃：Ｒ４.３ ℃ ４００ ℃：Ｒ７.５ ℃ 熱盤９分割独立制御・プログラム自動運転加熱冷却自動プレス機神藤金属工業所（AWFA-２０）・複動加熱冷却自動プレス・出力：２０ ton ・盤面サイズ：□５００ mm ・２プラテン加熱冷却金型搬送用リフター装備・プログラム自動運転  Tohou 2 Aomori 5 Akita  Kanto 10 Gunma 11 Saitama  Tohou 2 Aomori 5 Akita  Kanto 10 Gunma 11 Saitama

Japanese Regions and Prefectures Promoting CFRP

17/47

11 Saitama 13 Tokyo  Chubu 15 Niigata 17 Ishikawa 18 Fukui 21 Gifu 22 Shizuoka 23 Aichi  Kinki (Kansai) 11 Saitama 13 Tokyo … LCIC  Chubu 15 Niigata 17 Ishikawa … ICC 18 Fukui 21 Gifu … GCC 22 Shizuoka 23 Aichi … NCC  Kinki (Kansai)  ( a sa )  Chugoku 34 Hiroshima 35 Yamaguchi  Shikoku 36 Tokushima 38 Ehime  Kyushu 40 Fukuoka  ( a sa )  Chugoku 34 Hiroshima 35 Yamaguchi  Shikoku 36 Tokushima 38 Ehime  Kyushu 40 Fukuoka

Recent Established Japanese Composite Research Centers

Since Name Full name Location Key persons 2009 July LCIC Low Carbon Engineering Innovation The University of Kazuro Kageyama Jun Takahashi Center Tokyo 2012 April NCC National Composite Center Nagoya

University Takashi Ishikawa

2012 GCC

Gifu University

Composite Gifu Takushi Miyake April GCC p Materials Center University y Asami Nakai 2012 August ICC Ishikawa Carbon Fiber Cluster Kanazawa Institute of Technology Isao Kimpara Kiyoshi Uzawa

(5)

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Japanese National Projects For Mass Production CFRP Automobile

CFRTP (structure) Project (2013‐2022)

 Composite design

 High cycle manufacturing

 Market waste recycling

CFRTP (material) Project

 Parts replacement

 High cycle molding

 In‐plant waste recycling

METI, +25 (+9) PL: Prof. Takahashi (LCIC), Prof. Ishikawa (NCC) LCIC, NCC, ICC, Tokyo Institute of Tech., Fukui Pref., JFCC, NIMS, Mitsubishi Rayon, Toho Tenax, Toray, Toyobo, Shimadzu, Aisin Seiki, Fukui Fibertech, KADO Corporation, Komatsu, Kyowa, Takagi Seiko, IHI, SHI, Honda, Mitsubishi Motors, Nissan, Suzuki, Toyota (GCC, Tohoku Uni., Yamagata Uni., AIST, JAXA, DOME, Taiseiplas, Toray Engineering) METI, NEDO, +5 (+5) PL: Prof. Takahashi (LCIC) LCIC, Mitsubishi Rayon, Toray, Toyobo, Takagi Seiko (Kyoto Institute of Tech., Shizuoka Uni., Tohoku Uni., Toyama Uni., Yamagata Uni.)

2020

Tokyo

Engineering)

Innovative CF Project

 Productive & low cost

METI, +5 GM: Prof. Kageyama, PL: Prof. Hatori (LCIC) LCIC, AIST, Mitsubishi Rayon, Teijin, Toray

Consortium Members (34) of CFRTP Project

LCIC

NCC

ICC

GCC

World Passenger Automobile Production Share (2011)

Japan China Others 8%

World production share

30% Korea 10% France 9% 8%

p

Toyota

11%

Nissan

6%

Honda

5%

Suzuki

4%

Mazda

2%

Mitsubishi

2%

Gremany 19% USA 16%

Subaru

1%

World Carbon Fiber Share (2012)

Production

capacity

Consumption

Production

volume

Consumption

by region

(6)

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Japanese National Projects For Mass Production CFRP Automobile

CFRTP (structure) Project (2013‐2022)

 Composite design

 High cycle manufacturing

 Market waste recycling

CFRTP (material) Project

 Parts replacement

 High cycle molding

 In‐plant waste recycling

METI, +25 (+9) PL: Prof. Takahashi (LCIC), Prof. Ishikawa (NCC) LCIC, NCC, ICC, Tokyo Institute of Tech., Fukui Pref., JFCC, NIMS, Mitsubishi Rayon, Toho Tenax, Toray, Toyobo, Shimadzu, Aisin Seiki, Fukui Fibertech, KADO Corporation, Komatsu, Kyowa, Takagi Seiko, IHI, SHI, Honda, Mitsubishi Motors, Nissan, Suzuki, Toyota (GCC, Tohoku Uni., Yamagata Uni., AIST, JAXA, DOME, Taiseiplas, Toray Engineering) METI, NEDO, +5 (+5) PL: Prof. Takahashi (LCIC) LCIC, Mitsubishi Rayon, Toray, Toyobo, Takagi Seiko (Kyoto Institute of Tech., Shizuoka Uni., Tohoku Uni., Toyama Uni., Yamagata Uni.) Engineering)

Innovative CF Project

 Productive & low cost

How to make Oil Can by CFRTP ?

Rectangular

Steel Oil Can

Replacement of

individual parts

Ultrasonic Welding Laser trimming Metal insert Galvanic corrosion

Is this really

the right way to

reduce weight ?

Thermo forming Thermal caulking joint

Design by composites More Flexible ! More Functional ! More Cute !

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Japanese National Projects For Mass Production CFRP Automobile

CFRTP (structure) Project (2013‐2022)

 Composite design

 High cycle manufacturing

 Market waste recycling

CFRTP (material) Project

 Parts replacement

 High cycle molding

 In‐plant waste recycling

Innovative CF Project

 Productive & low cost

High‐Cycle Molding

Pre heat

Press in 1 min

CFRTP preform

(7)

FRTPの亜ハイサイクル成形例

例）電磁プレス成形によるもの、クラス

A表面品質確保に優位性

Thermoplastic Prepreg Sheets

Carbon Fiber Impregnation C t Di i I ti Thermoplastics Prepreg tape Cut Dispersion

UD sheet Cross sheet

Tape reinforced sheet

Thermoplastics

Mat reinforced sheet

Cut Dispersion Impregnation

p

プレス一発成形

CFRPの問題点と量産自動車用の開発方向

ー

吸収

能

オートクレーブ＋連続繊維プリプレグ高速プレス成形＋不連続熱可塑性プリプレグプレス複合成形

性

強度

エネルギ

ー

プレス成形＋ RTM ＋連続繊維プリフォーム

→

高すぎる

遅すぎる

部材形状に制約

リサイクル困難

↓弱すぎる

既含浸のプリフォームで高速成形と高性能を両立 繊維orテープを流動させ 複雑形状を一発成形 臨界繊維長以上の直線状繊維のため高性能射出

剛

性

複雑形状成形性、成形速度、コスト

不連続長繊維熱硬化性樹脂熱可塑性樹脂射出成形＋不連続短繊維

リサイクル困難

↓

不連続繊維による基材を持った事によるメリット

(8)

炭素繊維と熱可塑性樹脂の界面接着性向上

Normal CF

+ PP without modification

Special treated CF

+ PP without modification

Normal CF

+ PP with modification

Special treated CF

+ PP with modification

開発材料（

CF/PP板）の軽量性

パネル部材（曲げ剛性基準）中空フレーム部材（曲げ剛性基準）パネル部材（引張剛性基準）

フレーム材の軽量化効果

リブ無し中空フレーム両ハット形状片ハット形状

 重量は等剛性のスチールフレームの

50％

 衝撃吸収能力は

440MPa級スチールの2倍

780MPa級スチールの1.5倍

熱硬化性CFRP（エポキシ）

CF/EP

熱可塑性CFRP（ポリプロピレン）

CF/PP

衝撃破壊過程の比較

(9)

衝突基準前面衝突オフセット衝突様々な衝突実験によって車の衝突安全性を評価

衝突安全性に求められる性能

衝突安全

操縦安定性

乗り心地

居住性

Ref) ULSAB‐AVC 側面衝突側面ポール衝突

居住性

外観・質感

視認性

・・・・

変形しながらも高い荷重に耐えられる（より延性的な）特性が必要

侵入を防ぎ乗員を保護する変形量荷重車室内侵入量衝撃エネルギー吸収

部材形態別重量構成比

panel 88% frame 12% panel 57% frame 30% casting 13% ＜モノコックボディ＞軽量性に優れる＜ハイブリッドボディ＞衝突安全性・リサイクル性に優れる

 低Vfの不連続繊維CFRTPは曲げ特性支配の板材と複雑形状部材用

 高Vfの連続繊維CFRTPは引張圧縮特性も必要となるフレーム部材用

 リサイクル材は主としてスティフナや複雑形状部材として再利用

◆ 従来モデルとＣＦＲＰモデルシートバックヘッドレストサポートドアフレーム・ピラーＦＲエンジンカバーＦＲストラトタワバフェンダーサポートＦＲカウルＲＲラゲッジパーティションフードルーフ

プロジェクトでの軽量化目標

普通乗用車の平均重量モデル CFRP化 ＦＲストラットタワーバーミッションセンタートンネルアンダーカバーアンダーサポートロッドラジコアサポートエンジン部品クラッシュボックスＦＲフロアトンネルＦＲフロアパネルＲＲラゲッジサイドパネルＲＲラゲッジフロアＲＲラゲッジバックパネルＦＲダッシュドアインナーインパクトビーム 連続繊維熱可塑性CFRP：外板・強度部材 不連続繊維熱可塑性CFRP：複雑形状部材 スチール部材 ▲584kg CFRP部材 ＋174kg 計 ▲410kg 1,380→970kg ▲30% ガソリン車燃費 ▲22.5% 0 500 1,000 1,500 従来モデルＣＦＲＰモデル車体重量（ kg ）ＣＦＲＰ鉄鋼非鉄金属その他 CFRP ：174kg ｽﾁｰﾙ 968kg 384kg

How to make Oil Can by CFRTP ?

Rectangular

Steel Oil Can

Replacement of

individual parts

Ultrasonic Welding Laser trimming Metal insert Galvanic corrosion

Is this really

the right way to

reduce weight ?

Thermo forming Thermal caulking joint

(10)

ー鉄鋼部材ー CF/EP部材 ー CF/PP部材

CF/PPによる新しい構造デザインと成形方法の可能性

1. 鉄鋼部材と曲げ剛性（≒曲げ変形挙動） が同じCFRP部材は、板で1/3、梁で1/2 の重量 2. CFRP板は鋼板よりも長い弾性変形範囲 部材

曲げ

荷重

2. CFRP板は鋼板よりも長い弾性変形範囲 のためデントが起こりにくい 3. しかし応力集中部ではCF/EPは急激に荷重低下（脆性破壊）するため、円孔・切欠・コーナー部に弱い。その原因は層間剥離。 4. CF/PPは層間剥離を起こさないためエネルギー吸収能力が高いだけでなく円孔・

曲げ変形

ルギ吸収能力が高いだけでなく円孔切欠・コーナー部に強い。 5. CF/PPは熱可塑性を利用した、融着・リペア・リサイクルが容易。 6. CF/PPは４．５．の特性を活用して、 CF/EPでは制約されていた多様な構造や 成形方法が考えられる。

熱硬化性CFRP:

ボルト（繊維材に不利）、接着剤（高価、品質保証が手間）

熱硬化性

CFRPと熱可塑性CFRPの接合方法の相違

熱可塑性CFRP:

熱融着（

簡便で、しかも母材よりも接合部のほうが高性能

）

加熱

接合部で繊維が絡み、繊維体積含有率も

母材よりも高くすることができる

・McLaren MP4-12Cモノコック

・

LAMBORGHINI Aventador

 近年主にコクピット廻りに利用されている

自動車における継手

/接合対象（CFRTPと金属）

・TOYOTA LFA 接合/継手は主に ・FRP/FRPの接着 ・金属部品はファスナー接合折曲部材ルンソリ部材引張・曲げ・捻りに対する

成形加工検討の方向性

フルコンソリ部材接合部材流動部材引張・曲げ・捻りに対する剛性・強度・衝撃吸収性・バラツキ・非破壊検査性等を比較フルコンソリ部材流動成形部材オーバーモールディング部材接合部材  優位性のある成形加工法に対してハイサイクル性と設備コストを考えた装置を開発  含浸プロセスを含むトータルコストを極小化する基材形態と装置の組合わせを提案

(11)

機械的(ボルト)接合接着接合融着接合量産車の特徴・接合部が多く、修理・交換の容易さも求められる・高速接合・低コスト・品質保証の同時追求・異材接合も含め、長期耐久性が求められる

CFRTPの接合形態比較

方法穴あけ加工による接合表面処理による接合加熱・冷却による接合  異材接合可能  分解による修理リサイク  隙間/ギャップ接合可能  シル性/弾性接合  重量増加なし  加工時間短い応力集中ボルト接着剤加熱加圧冷却メリット  分解による修理・リサイクルが容易  シール性/弾性接合  複雑形状への適用性  異材接合への可能性  加工時間短い  リペアと同じ原理・装置が使えるデメリット  応力集中による強度低下  加工工程増加  重量増加  加工時間長い  PPとの相性悪い  リサイクル性/解体性  適用できる部材が限定  異材接合不可  解体性なし

振動融着

超音波融着

熱板融着

樹脂、熱可塑性

FRPの各種融着方法

熱板

抵抗融着

誘導融着

熱板融着振動融着超音波融着抵抗融着誘導融着接合部の異材なしなしなし金属線誘電体(無し)

融着技術のスクリーニング

必要時間 (加熱) 1分以下 (10秒程度) 1分以下 (十数秒) 1分以下 (数秒) 1分以下 1分以下設備の規模 (コスト) 大大中小中/小接合(加熱)治具接合部のみ部品全体接合部のみ (振動子) 不要誘電体(不要) 接着強度良/中良難異材との接良/中 (条件設定) 良/中良難着性良/中複雑形状への適用可能性良/中難中良良大型形状への適用可能性中難スポット/移動 (連続)による可能性有中移動(連続)による可能性有

超音波融着機

(12)

 ナットインサート

 CFTRPではボルト締め付け圧により板

圧方向のクリープが懸念される

 CFRTP部材成形時のナットインサート

CFRTP部材へのナットインサートと穴加工

こて先試験片穴あけ治具治具ブッシュドリル加工熱穴加工

 CFRTP部材成形時のナットインサト

（同時成形）技術を開発

 穴加工

 後で穴を加工する場合も、

熱硬化性CFRPのような

層間剥離は起こりにくい

CMT20 強変PP

成形流動挙動

商品性

☆材料性能シュミレーション ☆成形加⼯シュミレーション ☆剛性、強度、衝突CAE 成形加工のメカニズム（圧力、温度・・・）物性発現のメカニズム（樹脂、繊維長、分散・・・） ← こんな物性がほしい ← こんな形にしたい

集中研方式による技術連関の体系化

材料

成形

部品・車

材料特性

成形・流動挙動

劣化形状限界（リブ深絞り）剛性、強度、衝突、耐久 ↑ 快適安全環境仕様変更 ↓ 材料開発 ↓ ↑ 各社設計 ↑ 社会要求集中研⽅式により、材料設計から商品設計までのサイクル・技術連関を⼀貫して検証新素材を⽤いた迅速な設計変更（企業競争⼒）のためのノウハウの体系化劣化疲労環境（温度・湿度）速度依存性成形性（流動性、温度）形状限界（リブ、深絞り） _{快適、安全、環境} 通常開発形状ノウハウ → 成形ノウハウ評価ノウハウ → 物性DB 性能ノウハウ → 機能ノウハウ 現状（平均重量1380kg、年産20万台*1_） *1) ₈₀₀_台_/_日＝₅₀_台_/_{時間＝型占有時間}₁_分 熱硬化性CFRP 超軽量 ◎ 部品数削減 ◎ 成形速度 × コンセプトカー（重量1/3、年産？台） By 熱硬化性CFRPによる一体成形省エネ対策温暖化対策 EV化

車体軽量化率と生産速度のトレードオフ関係

CFRTP 熱可塑性CFRP 可能性  超軽量性 ◎  成形速度 ○ ←新規開発要素  トータルコスト ○ ←新規開発要素  リサイクル ◎ ←新規開発要素  信頼性 ○ ←新規開発要素 成形速度 × コスト × リサイクル × 信頼性？ EV化 プロジェクトの目標（30%軽量化、年産20万台） By 熱可塑性CFRPによる部材置換成形 年産5000万台 =20万台×250  信頼性 ○ ←新規開発要素 シート or テープ状中間基材による部材置換  高速プレス成形と好相性 → 早期普及  自動車以外への展開 → 技術の波及  技術優位性の確保 → 産業競争力  省エネ・温暖化対策としての即効性高／EU廃棄物指令（埋立禁止）にも対応可能  EV等エコカーの低コスト化・普及に寄与／レアメタル使用量削減、充電時間短縮etc.  60%軽量車（異方性活用、一体成形、年産20万台）の基盤

車体に要求される基本特性＋新たなサービス

曲げ・ねじり剛性

（走行性、乗り心地） ↑ 主にパネル部分が負担主にパネル部分が負担

耐衝突性

↑ 主にフレーム部分が負担

(13)

HIC（頭部損傷基準）の分布例

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Japanese National Projects For Mass Production CFRP Automobile

CFRTP (structure) Project (2013‐2022)

 Composite design

 High cycle manufacturing

 Market waste recycling

CFRTP (material) Project

 Parts replacement

 High cycle molding

 In‐plant waste recycling

Innovative CF Project

 Productive & low cost

METI, +5 GM: Prof. Kageyama, PL: Prof. Hatori (LCIC) LCIC, AIST, Mitsubishi Rayon, Teijin, Toray ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ カット時のロス ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐

④ -1-2

CFRP中間基材 100 % 工程内で発生する廃棄量 30 – 50 % 製品段階での CFRP活用率 50 – 70 % カスケードリサイクル

本プロジェクトでの

3R率（炭素繊維有効利用率）向上の考え方

‐‐ 期限切れ ‐‐ ‐‐‐‐‐‐‐‐ NG 部品 ‐‐‐‐‐‐‐‐

④ 1 2

プレートマテリアルリサイクル

（端材を中間基材に戻す）

熱可塑性

のため保

管ロスは生

じない

④ -2-2

ショップリペア

（自動車修理工場での

加熱による簡易修理）

④ -2-1

インハウスリペア

（製造工場内での

NG品を加熱変形に

‐‐‐‐‐‐‐ 品質保証用試験片 ‐‐‐‐‐‐‐

じない

④ -1-1

粉砕マテリアルリサイクル

（高接着性の樹脂と繊維をそのまま再利用

→高性能リサイクル部材）

NG品を加熱変形に

より合格品に）

Remove Resin thermally (option) Pelletizing Waste CFRP (option) Add Another Filler Injection Molding (option) Crush (option) Surface Treatment

CFRPリサイクル方法の分類

chemically Ex. virgin CF, aramid, etc. to improve shock absorption ability Cf (option) Carding / Press Forming (option) TP to improve strength without crush to get longer fiber Cf. improve 2 to 3 times by an addition of aramid fiber (2007, Tokyo Univ.) Paper Making Prepreg Sheet

(14)

“in‐plant waste” and “market waste”

CF

Preform

Primary parts

Parts

End of life parts

NG parts

Waste

In‐plant waste

Market waste

Damaged parts

Resin

Preform

Primary parts

Parts

End of life parts

“in-plant waste” : identityof the material is clear

noenvironmental degradation “market waste” : identity of the material is not clear

with environmental degradation

high quality recycled materials

熱可塑性

CFRPにおける3つのリサイクル方法

Without Glue Panel with only

recycled CF/PP Panel with fresh CF/PP

Double Belt Press

Recycled Plate Fresh Sheet Hybrid Stamping Injection Molding

“in‐plant waste” and “market waste”

CF

Preform

Primary parts

Parts

End of life parts

NG parts

Waste

In‐plant waste

Market waste

Damaged parts

Resin

Preform

Primary parts

Parts

End of life parts

“in-plant waste” : identityof the material is clear

noenvironmental degradation “market waste” : identity of the material is not clear

with environmental degradation

high quality recycled materials

中間基材

UDシート

原料

不連続繊維による

CFRTP中間基材

ペレット直接フィルムパウダーステプル

加工

クロス熱可塑性樹脂炭素繊維テープランダムシートステープル開繊カット分散分離・直繊化混繊混合含浸カードウエブマットリサイクル炭素繊維混繊紡績 etc. 【ポイント】繊維長分布アラインメントバラツキ表面改質

(15)

Recycled Steel Fresh Steel

assembly, molding steel or matrix resin production

CF production materials recoverly

鉄鋼部材、

CFRP部材、CFRTP部材の製造エネルギー比較

Fresh CF/PP (Vf=20) Fresh CF/PP (Vf=30) Fresh CF/PP (Vf=40) Recycled CF/EP with PP Fresh CF/EP (Vf=40) Fresh CF/EP (Vf=50) Fresh CF/EP (Vf=60) Recycled Steel フレーム材軽量化率1/2 板材軽量化率1/3 0 50 100 150 200 250 Repaired or Recycled CF/PP Fresh CF/PP (Vf=20) Energy intensity [MJ/kg] リサイクル部材の環境負荷は軽量化率を考慮しなくても同等以下 _{EP：エポキシ、PP：ポリプロピレン} Vf：炭素繊維の体積含有率(%) 板材軽量化率1/3 革新炭素繊維による低化で現状のスチール以下に

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自動車技術会

疲労信頼性部門委員会企画シンポジウム

2013/11/20

於、発明会館ホール（東京 虎ノ門）

量産車用熱可塑性

CFRPの開発動向

東京大学

髙橋 淳

費

量

世界のエネルギー消費構造

液体燃料が乗り物に使われる理由

 保管が容易

液体燃料が乗り物に使われる理由

 保管が容易

の

最終

エ

ネ

ルギー

消

費

：

）

 保管が容易

 エネルギー密度が高い

 安い

 保管が容易

 エネルギー密度が高い

 安かった・・・

一人あたり

の

（単位

：

日本の化石エネルギー輸入額の推移

yen/liter

yen/$

yen/liter

$/barrel

yen/liter

yen/$

原油輸入

CIF価格の推移 → 欧米で燃費向上の意識高い

／

リットル）

ル

）

yen/$

（ド

ル／バレル、

円

／

替

レート

（

円

／

ド

ル

原油価格

為

替

費

量

世界のエネルギー消費構造

の

最終

エ

ネ

ルギー

消

費

：

）

一人あたり

の

（単位

：

日本の運輸部門におけるエネルギー消費量の推移

於、発明会館ホール（東京虎ノ門）

髙橋淳

_{の太陽光パネルで発電可能）}

_{再生可能エネル}