住友軽金属工業株式会社 熊谷正樹 - nisri.jp
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第2回次世代自動車公開シンポジウム「超軽量化技術の深化をめざして」
住友軽金属工業株式会社 熊谷正樹
Sumitomo Light Metal Ind., LTD. Masaki KUMAGAI
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出典:日本アルミニウム協会統計
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自動車 1130千トン34.8%
出典:日本アルミニウム協会統計
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自動車におけるアルミ使用量の拡大
61
96
119
0
50
100
150
1990 2000 2010
75
117
144
1990 2000 2010
51
89
122
1990 2000 2010
Kg/台 日 本 北 米 欧 州
出典 : DUCKER社(2002年調査)
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0
50
100
150
200
250
300
1990 1995 2000 2005 2010 2015
only hoods, motor/ chassisand interiorfrom aluminium
advanced usein BiW
kg
A4 190 kg
A2 258 kg
A8 546 kg
Automotive Aluminium Recycling published by European Aluminium Associacion
乗用車1台あたりのアルミニウムの使用量(EU)
A6 170kg
アルミ使用量(台当たり)
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温暖化ガス削減(CO2)安全装置搭載電子機器搭載
自動車質量増大要因
安全基準強化(衝突安全性)
排ガス規制(SOx、NOx、PM)操縦安定性向上(快適性の追求)
燃費改善急務
車体構造改善のひとつとして「軽量化」が必要
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CO2排出量規制強化
「わが国の乗用車の10・15モード走行時CO2排出量」
出典:『国土交通省自動車燃費一覧(平成21年3月版)』
ガソリンハイブリッドの実績
EU規制
2015年までに販売する新型車の平均CO2
排出量を130g/km※にする
※130g/kmは18.2km/ℓに相当
米国規制
2016年までに燃費を全車種平均で4割以上の向上を義務付け
●現行25mile/gal ⇒ 35.5mile/gal【目標燃費】
一般乗用車 : 39mile/gal(17km/ℓ)SUV、ミニバン: 30mile/gal(13km/ℓ)
日本
2015年度の乗用車の燃費を平均で16.8km/ℓに義務付け
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出典「2009年版ものづくり白書」
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アルミ化のポイント1)運動性能の向上
車の運動性能を飛躍的に向上する一つの手段として、オールアルミボデーが採用されている。オールアルミボデーは、コストアップを吸収できる最高級車のAudi A8、Jaguar XJ やスポーツ車のBMW Z8、Ferrari 360、Aston Martin Vanquish 等から採用が始まった。
車重がアルミ車体で大幅に軽量化できるとエンジンやトランスミッション等も小型化でき、2次的な軽量化も相乗効果として期待できる。
Jaguar XJ(接着とリベットで接合) Aston Martin Vanquish
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バックドアフード
新型プリウス外板への採用部位
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熱交換器54%
その他46%
【自動車用板材】
熱交換器66%
その他34%
【自動車用押出材】
自動車用アルミ材の出荷量比率
(H21年度当社実績)
熱交換器54%
その他46%
【自動車用板材】
熱交換器66%
その他34%
【自動車用押出材】
自動車用アルミ材の出荷量比率
(H21年度当社実績)
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アルミ溶接サブフレームの例(日産スカイライン)
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アルミニウム車体へのレーザ溶接適用
半導体レーザ溶接
Audi A2スペースフレームAudi A6 ドア
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ハイブリッドスペースフレーム(2006 アウディTTクーペ)
押出材や鋳物を使って部品点数削減
カラー:アルミシルバー:鋼
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アルミ化のポイント2)車フロント部、リア部の軽量化
車の慣性モーメント軽減のために車の前後の重量の軽減が効果的である。前後重量バランスを考慮すると、必然的に重くなるフロント部の軽量化が操安性に寄与する。従って、フード、フェンダー、バンパーR/F、クラッシュボックス等のアルミ化が促進されている。最たるものはBMW5のフロント部である。
アルミニウム
BMW5シリーズの
アルミ化されたエンジンコンパートメントベンツEクラスのアルミ化部品
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アルミニウムと鉄の接合 BMW 5 series
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アルミ板とGA鋼板のMIG溶接
汎用性の高いMIG溶接の適用を検討
GA(合金化溶亜鉛めっき鋼板)とアルミ合金板のアーク溶接は前例無し
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異種金属(Al/Fe)FSW点接合
回転工具形状
・ショルダー径:φ13mm
・プローブ径 :φ4.5mm
長さ :0.8mm
Al(1.0t)
Fe(0.7t)
上板位置
ショルダー位置
差込み深さ(定義)
回転工具形状
・ショルダー径:φ13mm
・プローブ径 :φ4.5mm
長さ :0.8mm
Al(1.0t)
Fe(0.7t)
上板位置
ショルダー位置
差込み深さ(定義)
Al(1.0t)
Fe(0.7t)
Al(1.0t)
Fe(0.7t)
上板位置
ショルダー位置
差込み深さ(定義)
Al
Fe
Interface
2nm
Al
Fe
0.201nm
0.202nm2nm2nm
Al
Fe
0.201nm
0.202nm
界面には脆い金属間化合物はできずナノオーダーの厚さの金属ガラスの「のり」が形成
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6月検討会資料 2005.6.22研究開発センター第一部 熊谷正樹
FSW点接合技術を利用した研究開発戦略
トピックス: マツダのAl/FeのFSW点接合技術開発の記事(6月2日)より
Al/FeのFSW点接合の実用化
マツダ殿 ロードスター トランクリッド
→リベット不要で大幅なランニングコスト削減が可能(今後増えることが予想される)
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アルミニウム車体への接着技術適用
Range Rover Evoque(Alフード10kg/Alルーフ7kg 軽量化) Al Roof
(接着+セルフピアシングリベット)
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アルミ・樹脂 異種材料接合例
アルミと樹脂のハイブリッド車載用電池ケース(アルミ箔に樹脂を射出成形)
アルミと樹脂のFSW点接合
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アルミ化のポイント3)衝突エネルギー吸収性向上
形材は断面形状の自由度が高いため、有効な衝突エネルギー吸収設計ができる。
クラッシュボックス(ベンツS)
バンパーR/F
(GMセビル他)
ドアインパクトビーム(Lupo-3L)
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バンパーレインフォースメント及びクラッシュボックスの例
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ルーフレール / サイドメンバー(アウディA8、2010)
http://golf4.blog65.fc2.com/blog-entry-222.html
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アルミ化のポイント4)新しい成形技術:超塑性成形
アルミをボデー外板に適用する際に鋼板を超える意匠性を得る方法として超塑性成形技術が開発されている。オールアルミボデーが採用されている。アルミ板を加熱し、金型にガス圧で押し付けて成形するため、金型は片側だけで済む。Honda S2000のルーフやLegendのトランクリッドやフェンダーなどの少量多品種のプレス部品に適用されている。
Honda Legend
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重ねブロー試作例(アウタ/インナ一体成形)
A´
B B´
重ねFSW材のブロー成形による一体化成形技術
A A´A A´
重ねFSW材 外観
ブロー面 A-A´断面金型面
重ね材 ブロー面 B-B´断面金型面
外観
両側凸
B B´ B B´
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アルミ化のポイント5)新しい接合技術:FSW
アルミをボデー外板に適用する際に、鋼板で通常使われる抵抗スポット溶接よりも圧倒的にコストの安い摩擦攪拌点接合(Friction Stir Spot Welding)が開発されている。鋼製の
回転ツールを重ねたアルミ板に差し込んで抜くだけで、継手強度の高い点接合が可能である。Mazda RX-8をはじめ、Toyota Priusなどに多用されている。
FSWスポット
テーラードブランク
Mazda RX-8 Audi R8
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FSW点接合 (Friction Stir Spot Welding)
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自動車ボデーへのFSW点接合の適用- マツダ殿記事より -
RX-8リアドアのFSW点接合
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新FSW点接合●穴もバリも残らない ●板厚が変わってもOK
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複動式FSW点接合ロボット国際ロボット展より
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![Page 35: 住友軽金属工業株式会社 熊谷正樹 - nisri.jp](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021405/62089cacee6a12679317cac3/html5/thumbnails/35.jpg)
アルミFSWテーラードブランク
継手品質の安定するFSWで接合
アルミニウム化の課題および解決方法
パネル点数の削減鋼板よりもコスト高い テーラードブランク化
プレス前 プレス後
板厚や材質の違う素材を接合してからプレス成形
5182-O-0.8/1.4mmtドアインナー
6000系合金+HAZ改善法
改善前
改善後
HAZ(熱影響部)
母材
●バルジ試験結果(SG112)
・成形高さが等厚で約50%アップ
●トータルコストダウン・アルミ屑の削減・リインフォース用金型削減・リンフォース アセンブリ接合費削減
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本田技術研究所殿ご提供
燃料電池車のサブフレーム
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![Page 38: 住友軽金属工業株式会社 熊谷正樹 - nisri.jp](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021405/62089cacee6a12679317cac3/html5/thumbnails/38.jpg)
出典:軽金属溶接構造協会2004年度シンポジウム
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大型押出形構造 ろう付けハニカム構造 ジュラルミン構造(航空機仕様)
300系新幹線700系新幹線N700新幹線
STAR21試験車両300X試験車両
山梨リニア試験車両500系新幹線
STAR21
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JR東海殿ご提供
構体全面にFSW広幅形材を使用した最新リニアモーターカーMc5
550km/hでの走行で問題なし
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● Face Sheet4045/6951 clad sheet
● Honeycomb Core6951 sheet
4045/6951 clad sheet
● Frame6063 extrusion
● Face Sheet4045/6951 clad sheet
● Honeycomb Core6951 sheet
4045/6951 clad sheet
● Frame6063 extrusion
● Face Sheet4045/6951 clad sheet
● Honeycomb Core6951 sheet
4045/6951 clad sheet
● Frame6063 extrusion
● Face Sheet4045/6951 clad sheet
● Honeycomb Core6951 sheet
4045/6951 clad sheet
● Frame6063 extrusion
ろう付けハニカム
溶接
車体構造
500系新幹線(1997~)
ハニカムパネル使用箇所
N700系新幹線(2008~)
ろう付けハニカムパネルの材料構成
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ろう付ハニカムパネルのFSW- Brazed Haneycomb Panel (BP) -
EPMA-Si断面組織 500系新幹線用BP接合例
建材用BP
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高剛性パネル(スマートシート)平板の剛性の13~22倍
高剛性形状 0.3mm平板※変形量5倍誇大表示
1N 1N
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高剛性サンドイッチパネル(スマートコア)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 0.5 1 1.5 2
変位(mm)
荷重
(N)
スマート 0°方向
スマート 45°方向
ハニカム 0°方向
ハニカム 90°方向
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![Page 46: 住友軽金属工業株式会社 熊谷正樹 - nisri.jp](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021405/62089cacee6a12679317cac3/html5/thumbnails/46.jpg)
基本コンセプト:①高強度, 高靭性, ②高耐食性, ③低コスト
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787
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MRJの主翼はカーブがきついため、CFRPではシートの積層時にしわが出やすい。シートを分割すればしわを防げるが枚数増加や補強材追加でアルミと質量が変わらない。
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Alloy Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al
20130.6-1.0 0.40
1.5-2.0 0.25
0.8-1.2
0.04-0.35 0.25 0.15
Rem.
60130.6-1.0 0.50
0.6-1.1
0.20-0.8
0.8-1.2 0.10 0.25 0.10
Rem.
60610.40-0.8 0.7
0.15-0.40 0.15
0.8-1.2
0.04-0.35 0.25 0.15
Rem.
20240.50 0.50
3.8-4.9
0.30-0.9
1.2-1.8 0.10 0.25 0.15
Rem.
Alloy Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al
20130.6-1.0 0.40
1.5-2.0 0.25
0.8-1.2
0.04-0.35 0.25 0.15
Rem.
60130.6-1.0 0.50
0.6-1.1
0.20-0.8
0.8-1.2 0.10 0.25 0.10
Rem.
60610.40-0.8 0.7
0.15-0.40 0.15
0.8-1.2
0.04-0.35 0.25 0.15
Rem.
20240.50 0.50
3.8-4.9
0.30-0.9
1.2-1.8 0.10 0.25 0.15
Rem.
20132013開発目標(対2024合金)
・強度:2024-T3レベル以上
・押出性良好(ホロー押出可能)
・耐食性向上(Cu減)
・低密度(2%軽量化)
表 引張性質(A値)引張強さ 伸び耐力合金-調質
400 83652013-T6511
390 122902024-T3511
A値:母数をn=100とし、母集団の99%が信頼できるとして、95%の信頼性を持った最低値
図 ポートホール押出例
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- Eclipse Aviation社の記事より-
Eclipse 500
重ね継手
FSW機体第一号、従来のリベット構造の1/3の価格
ECLIPSE AVIATION社ご提供
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先進のFSW 技術Self Reacting-FSW
裏当ての要らない接合(複動ツールの応用)プローブの先をワークの裏側に突き出し、裏側にもショルダーを取り付けてワークを挟んで線接合
メリット:中空のワークの接合が可能、ツールの押し付け荷重が減少
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H-ⅡBロケット (三菱重工業殿)
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1961年1月芦有開発 株式会社 建 造建 示 (1955) 一 等 橋製作 株式会社 播 磨 造 船 所アルミニューム合金材 株式会社神戸製鋼所アルミニューム地金 日本軽金属株式会社
取扱商社 佐渡島金属株式会社
主桁も対傾構もアルミ床板はコンクリート
橋長 20.6m(支間長20m)×幅員7.12~
50年経過したアルミニウム合金橋(芦有ドライブウェイ)
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橋梁床版(新加古川大橋)
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FSW
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歩道橋、デッキ
引野歩道橋 出水駅自由通路
一貴山川橋 西唐津駅自由通路
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ご静聴ありがとうございました