自動車シャシのプレス成形を1分で達成!? 名古屋大学が研究する「繊維炭素強化プラスチック」ってなに?

現在、世界各地で地球温暖化対策として自動車の二酸化炭素排出規制が行われています。2018年9月10日には、欧州議会・環境委員会が自動車の二酸化炭素排出量について、2030年までに45%の削減目標案を採択しました。

 

そのため、自動車メーカー各社は現状のガソリン車の設計の見直しや、市場に新しく参入したEV(電気自動車)への移行を急ピッチで進めています。その目標達成のために取り組まれているのが、「車のボディの軽量化」。総重量が増えるほど、車を動かすのには大きなエネルギーが必要になります。車の軽量化は、エネルギーの節約と、二酸化炭素の排出量を減らすための一番の近道なのです

 

そんな中で、meviyスタッフのもとにあるニュースが飛び込んできました。なんでも、名古屋大学の研究チームが、「繊維炭素強化プラスチック」(Carbon Fiber Reinforced Plastics/以下、CFRP)という素材を利用して、自動車のシャシ(駆動基板部のこと)の成形に成功したのだとか。その成形にかかる時間はなんと1分!

 

この技術が完成するまでの背景には、どのような道のりがあったのでしょうか? また、この聞き慣れない「CFRP」とはどのような素材なのでしょう。meviyスタッフ進藤が名古屋大学ナショナルコンポジットセンター(NCC)を訪れ、石川隆司特任教授にお話を聞きました。

 

「鉄より固く、そして軽い」CFRPを見せてもらう

▲ 名古屋大学ナショナルコンポジットセンターの石川隆司特任教授(右)。

 

名古屋大学NCCは、CFRPをメインテーマとして立ち上げられた研究チーム。この素材を自動車の構造部品として活用する研究のため、経済産業省や多くの自動車メーカーの出資で2012年に名古屋大学に設置されました。

 

研究対象であるCFRPとは、プラスチック等の樹脂をベースとし、そこに強度を高めるための炭素繊維を混ぜ合わせた複合材料の1つ。身近なところでは釣り竿や棒高跳びのポール、障がい者スポーツで使われる義足の素材などに使われています。名大NCCが今回の取り組みで使用しているCFRPは、「PA6」と呼ばれる熱可塑性(※)樹脂と炭素繊維を混ぜてできたもの。

【※】熱可塑性…熱を加えると柔らかくなる性質のこと

 

CFRPの特徴は、なんといっても「鉄より固く、そして軽い」ということ。強度があり、バネのようにエネルギーを溜めることができる性質が、特にスポーツの分野で役に立っています。テニスやバトミントンのラケットの素材にCFRPが使われるようになったときは、あまりの変化に「導入によって競技の質が変わった」とも言われているのだとか。

 

まずは研究で使われているCFRPの実物と、実際に製造された車のシャシを見せてもらうことに。

 

CFRPで整形された車のシャシがこちらです。軽自動車よりも一回り大きい2平方メートルほどのフロアパネルと、別に成形されたサイドフレーム等を接着して自動車の駆動基板ができあがっています。

 

(提供:名古屋大学ナショナルコンポジットセンター)

タイヤ等の部品を取り付ける前のシャシはこちら。中央のくぼみはドライバーが乗るところとなり、車の肝心要の基盤部分になります。

 

そしてシャシに使われているCFRPをよく見ると、黒い素材の表面になにやら糸のようなものが浮き上がって見えてきます。これが、プラスチック樹脂に混ぜ込まれたCFRPの炭素繊維。炭素繊維は、文字通り「糸」のような形をしているのです。

 

それがよくわかるのがこちら。板が欠けた部分から、細かい綿のようなCFRPの繊維が見えます。「触ると刺さるので注意してください」と石川教授。刺さらないよう恐る恐る触ってみると、細かい針が集まっているようなチクチクした固さがありました。

 

倉庫の奥には、他にもCFRPの塊が保管されていました。これが先ほどのシャシになるとは驚きです。

 

シャシを整形する、3,500トンのプレス機

次に、実際にシャシ成形を行うプレスシステムを見せていただきました。

 

名大NCCのシャシは、熱可塑性樹脂に短く切断された炭素繊維を混ぜ合わせたCFRPを用い、「LFT-D」(Long Fiber Thermoplastic-Direct)工法と呼ばれるやり方で製造されています。この工法を詳しく説明すると、以下の通り。

 

1. 加熱した熱可塑性樹脂に炭素繊維を加え、よく混ぜ合わせる。
2. 複合材料を再度加熱しながらロボットアームで持ち出し、金型へ写す。
3. 3,500トンの圧でプレスして、完成。

 

▲ LFT-D工法の解説図。(提供:名古屋大学ナショナルコンポジットセンター)

 

成形時間の「1分」というのは、最後のプレスにかかる時間のこと。こういった工程を経て、シャシが成形されているのです。

 

施設に入るなり取材チームを出迎えたのが、広々とした実験室に設置されているLFT−D工法の成形マシン。で、でかい!

 

こちらが、熱した樹脂と炭素繊維を混ぜ合わせる容器です。中には大きなスクリューが仕掛けられており、炭素繊維を切断しながら、写真右上の筒から投入される樹脂と混ぜ合わせていきます。

 

溶かしたプラスチック樹脂に、糸のような形状をしている炭素繊維を混ぜ込むことで作られるCFRP。シャシの素材として使うほどの十分な強度を出すためには、固めたときに樹脂の中で炭素繊維が一箇所に偏らないよう、それぞれをしっかり混ぜ合わせなければいけません。しかし、混ぜすぎると十分な強度を保てなくなるというジレンマも。

 

「前提としてCFRPは、樹脂に混ぜ込む炭素繊維を切断せず、できるだけ長いままで使ったほうが強い素材となります。しかしスクリューで混ぜ合わせると、素材の偏りは無くなりますが炭素繊維が細かくちぎれてしまい、十分な強度が出なくなってしまうんですよ。この『素材同士がしっかり混ざりながらも、炭素繊維を細かくし過ぎない』ちょうどいい混ぜ具合を見つけるため、数え切れないほど実験を重ねました」(石川教授)

 

素材同士をちょうどよく混ぜ合わせるためのスクリューは、もちろん特注で作られたもの。製造会社と何度も調整を行いながら、ベストな形状を探していったそうです。

 

混ぜ合わされた複合材料は、こちらのロボットアームで掴んでプレス機へ運びます。最初に熱を加えて溶かされた樹脂ですが、炭素繊維を混ぜ込み、この工程に至る頃にはおおよその熱は抜けてしまい、冷めて「半分固まった」ような状態に。ロボットアームに設置されたヒーターで再び熱を加えて、プレス工程に備えて素材を柔らかくしなければいけないのです。ですが次の工程で1分のシャシ成形を達成するためには、ここでCFRPを温めすぎてもダメ。この温度管理もとても大切な要素なのだとか。

 

そして、プレス機がこちら。上部から3,500トンの圧をかけてCFRPを変形させ、シャシを製造します。この工程で使われているプレス用の金型も、非常に精度が高いものなのです。

 

「この金型であれば、型に入れた素材をすべて無駄なく使うことができるんです。従来であれば、金型からはみ出た素材をカットする工程がありましたが、それも必要なくなります。自動車の生産では、無駄な手間を省くのがすごく大事になりますね」(石川教授)

 

細かい部分でも手間が増えるとコストがかかり、そのしわ寄せが全体のスピードへとふりかかってきます。こちらのプレス機は素材も時間も無駄にならず、まさに一挙両得ですね。

 

プロジェクトの前提条件だった「成形時間1分」

工場見学を終えたあとは、石川教授の研究室に移動し、お話を伺いました。

 

本日はありがとうございました! CFRPや、製造されたシャシの実物を拝見して、より理解が深まりました。そもそも、NCCの研究テーマとして「1分間のシャシ成形」という目標が設定されたのにはどのような背景があったのでしょうか?

実はこの「1分間のシャシ成形」というのは、プロジェクト開始当初からある自動車メーカーの要望なんです。

その「1分」には、どういった意図があるのでしょうか?

そもそも自動車のシャシを生産するときに求められるのが、十分な強度があることと、コストがかからないこと、そしてそれを短時間で作れる、ということです。大量生産しなければいけないものなのに、一つひとつにじっくり時間をかけるわけにはいきませんからね。一定台数以上を安定して生産するため、シャシ成形にかけられる時間として定められたのが、「1分」という短い時間でした。

なるほど、当初は「成形にかかる時間を頑張って短縮して、結果として1分でできるようになった」ものだと思っていましたが、そもそもの条件が決まっていて「1分でどれだけ良いものが作れるか」というところからスタートしていたんですね。

 

航空機分野から、自動車で応用されるようになったCFRP

ところでCFRPはいつ頃に生まれた素材なのでしょうか? 比較的新しい素材に思えますが、どのような歴史があるのか知りたいです。

それは、なかなか壮大な話になってしまいますね(笑)。CFRPは戦後間もない頃から歴史が始まります。

え! そんなに昔からある素材なんですか?

CFRP単体の話をするなら、1970年代にアメリカの戦闘機に使われたのが最初です。それよりももう少し前からプラスチック樹脂にガラス繊維を混ぜた複合材料があるのですが、その材料を扱う技術を応用してガラス繊維の代わりに炭素繊維を用いたのが、CFRP誕生のきっかけですね。

「ガラスを使った複合材料」というCFRPと似たような技術自体は以前からあったのに、その時期に大きな変化が起きたのはなぜですか?

この時期に炭素繊維が大量生産できるようになったんですよ。そのおかげで、一部の人だけが使っていた素材が企業や研究機関など、多くの人の手に渡るようになりました。戦闘機での実験を経て、旅客機でCFRPが使われるようになったのが1980年代の頃です。最初は尾翼など旅客機の一部で使われていただけだったのですが、今では総重量の約半分でCFRPが使われるようになりました。この分野では今でもCFRPが多く使われていますね。

すでに飛行機では多く用いられている素材なんですね。しかし、今になって自動車への導入が検討されている理由はなぜでしょう? もっと早くから検討されていてもいいような気が……。

飛行機で使われているCFRPは、この施設で製造しているものとは作り方が違うんですよ。LFT-D工法では繊維を細かく切断した「非連続繊維型」のCFRPを使用しましたが、飛行機では繊維を切断せず、布のように編み込んだ炭素繊維にツナギとして樹脂を染み込ませた「連続繊維型」のCFRPを使っているんです。連続繊維型CFRPは、非連続繊維型のものより頑丈な一方、生産に多くの時間やコストがかかってしまいます。

つまり、生産台数が少ない飛行機ではその作り方で十分でも、自動車の場合だとメーカーが求める「早く、安く、頑丈に」の要件が満たせないんですね。

もちろんこれまでにもCFRPを使った自動車はあったのですが、それは連続繊維型のCFRPで、レーシングカーやごく一部の高級車のみでした。なかなか量産と価格の壁が越えられなかったんです。

そこで、NCCではLFT-D工法が提案されたんですね。

そうです。自動車メーカーから与えられた条件を考えた時、それを達成できるのは、炭素繊維をほどよい長さをキープしたまま樹脂と混ぜ合わせることで強度を出すLFT-D工法しか無いだろう、というのがNCCの考えでした。

 

CFRP一筋で50年間。石川教授の研究生活

▲ 石川教授の研究室には、様々な団体からの表彰状がずらり!

石川教授はいつ頃からNCCにいらっしゃるのでしょうか?

2012年の設立とほぼ同じタイミングですね。NCCが立ち上がった当初は、まだ私はJAXAで研究開発本部長を務めていました。ちょうどそのポストから離れることになったので、新しくできたNCCのセンター長として声をかけていただいたんですよ。
NCCは、立ち上げられた当初から「CFRPとLFT-D工法を使って自動車の軽量化を図ること」が目的として設定されていたんです。ですので、これまでずっとCFRPを中心とした複合材料を研究してきた自分が適任だろう、となったんでしょうね。

なるほど。もともとこちらに在籍されていたわけではなかったんですね。

NCCに来る前は航空宇宙研究所や、その後進のJAXAで研究をしていました。ですが基本的テーマは変わらずCFRPです。先ほど、炭素繊維の量産が1970年代に始まったとお伝えしましたが、私はそれとほぼ同じタイミングで大学院生になってCFRPの研究をスタートしたんですよ。

まさに運命のめぐり合わせですね。そもそも、複合材料に興味を持ったのはどうしてですか?

大学でグライダー部に所属していたのが大きなきっかけですね。当時、グライダーの骨の素材は木と鉄がメインだったのですが、ガラス繊維の複合材料が登場して、グライダーの素材でも使われるようになりました。そうすると明らかにグライダーの性能が良くなったんです。今までの素材よりも軽くて頑丈ですし、流線型の羽型がキレイに作れるようになったんですね。よく飛ぶグライダーに乗れるようになって、複合材料に興味を持ちました。学部を卒業するときの論文テーマは、ガラス繊維の複合材料でしたね。

その頃の関心が今の研究活動のベースになっているんですね。こちらに来る前は航空宇宙研究所や、JAXAにいらしたとのことですが、それぞれの研究機関に在籍中はどのような研究をされていたのでしょうか?

▲ 様々なものに混じって、NASAからの表彰状も……!

例えば、複合材料の欠点を補う研究をやっていましたね。連続繊維型のCFRPは、編み込んだ繊維が層になって固まっているので、衝撃を受けると層と層が剥がれてしまうことがあるんです。チームでその現象を克服するための研究を進めていました。
全く違う分野では、高温下でも耐えられる複合材料の研究も行っていました。これは恐らく、私がいたチームが日本で最初にやった研究だと思います。もう30年前の話ですが、最近ようやく実用化に向けて動いているみたいですね。飛行機の技術は研究がスタートされてから実装されるまでに本当に時間がかかるんですよ。なんせ、人の命がかかっているので。

 

NCCのCFRP研究は「まだ高校生になったばかり」

シャシの1分成形という目標を達成して、これからのNCCのCFRP研究はどういったことを行っていくのでしょうか?

シャシについては求められる数値は達成できているのですが、もう少し強度を上げたいんです。2倍は大げさだけど、1.5倍くらいにはしたいな、と考えています。まだまだ目標を達成したとは言えません。

なるほど。これからも改良を続けられていくんですね。

そうですね。これで満足してはいられません。例えば、他の方法で成形したCFRPと現在のものを組み合わせてより強度の高い素材を作るとか。これからも研究を重ねて、さらに精度が高いものを作っていこうと思っています。まだ具体的な内容は内緒ですけどね。

もう十分に見えますが、まだまだ完成じゃないんですね……。

CFRPを使用したシャシの成形はまだまだこれからです。プロジェクトがスタートしたばかりの頃は幼稚園児だったのが、今ようやく高校生になったくらいなんですよ。成人して、社会人として家を出ていくのはもう少し先ですね。

これからの展開がとても楽しみですね。本日はありがとうございました!

 

まとめ

自動車製造過程の根本からの見直しが求められている現在、その突破口として注目されている代替素材・CFRP。名古屋大学NCCの研究は、「今すぐ」の変化にはならなくても、これから先の将来を見据えたときに大きな変革を生み出すものでした

 

石川教授がおっしゃる通り、自動車や旅客機など、人の生活・安全に関わる分野は、「研究」から「実装」に至るまでにとても長い時間がかかります。それに携わる研究者や技術者は、短期的ではなく、10年先を見据えた長期的な視野で研究に携わる必要があるんですね。

 

まだまだ研究の余地があるというCFRP。これから先の技術に大きな変化を生み出すであろう新素材の研究を、meviyブログでは追いかけていきます。

 

(ノオト/伊藤 駿)

 

取材協力

名古屋大学 ナショナルコンポジットセンター

http://ncc.engg.nagoya-u.ac.jp/

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