11

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」

自動車におけるCFRP技術の現状と展望

トヨタ自動車株式会社有機材料技術部

影山裕史

22

１．自動車と環境

１）自動車を取り巻く環境

２）取り組み（CO2対策）３）これからの取り組み

２．自動車とCFRP（現状）１）CFRP化の動向 （世の中）２）CFRP化の現状（トヨタ）

３．自動車とCFRP（展望）CFRP化の課題と展望

33

１）自動車を取り巻く環境１）自動車を取り巻く環境

１．自動車と環境１．自動車と環境

44

２）取り組み（２）取り組み（CO2CO2対策）対策）

①車両でのCO2CO2対策対策

55

プラグインハイブリッドプラグインハイブリッド

電池を外部電力で充電し、モーターによるＥＶ走行距離を拡大電池を外部電力で充電し、

モーターによるＥＶ走行距離を拡大

バッテリ

家庭用電源

エネルギー

燃料タンク

ガソリンスタンド

モータエンジン

66

②樹脂化によるCO2CO2対策対策

46.946.9

44.144.1

42.542.5

35.935.9

36.636.6

14.314.3

20.220.2

20.820.8

23.723.7

23.923.9

13.813.8

11.411.4

10.410.4

10.210.2

8.28.2

66

7.87.8

7.27.2

10.410.4

10.610.6

3.63.6

55

7.17.1

9.29.2

99

55

5.65.6

3.93.9

4.14.1

5.15.1

33

2.42.4

2.62.6

2.92.9

2.62.6

7.47.4

3.43.4

5.45.4

3.63.6

4.14.1

‘‘6868

‘‘7878

‘‘8888

‘‘9696(1313kg)(1313kg)

(1300kg)(1300kg)

(1144kg)(1144kg)

(1020kg)(1020kg)

‘‘0000(1371kg)(1371kg) 鉄鉄 非鉄非鉄 樹脂樹脂

その他その他ガラスガラスゴムゴム

((鋼板鋼板)) ((鋼材鋼材)) ((鋳鉄鋳鉄))

7575

75.775.7

73.773.7

69.869.8

68.768.7

77

樹脂：燃料タンク樹脂：燃料タンク

工程内リサイクル材工程内リサイクル材

EVOHEVOH（バリア材）（バリア材）

変性ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝ（接着剤）変性ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝ（接着剤）

ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝ

外側外側

内側内側

樹脂燃料タンクの構造樹脂燃料タンクの構造

２７％２７％ 軽量化軽量化設計自由度設計自由度 大（タンク容量増加、部品点数削減）大（タンク容量増加、部品点数削減）耐腐食性耐腐食性 向上向上環境負荷物質環境負荷物質 低減（鉛フリー）低減（鉛フリー）

88

樹脂：インマニ樹脂：インマニ

TOYOTA Mark IITOYOTA Mark II

25% 25% 軽量化軽量化

ｴﾝｼﾞﾝ性能向上ｴﾝｼﾞﾝ性能向上

-- 吸入空気の温度上昇抑制吸入空気の温度上昇抑制

-- 管内壁面の粗さ低減管内壁面の粗さ低減

99

③バイオプラスチックでのCO2CO2対策対策

1010

３）これからの取り組み（耐環境）３）これからの取り組み（耐環境）

ディーゼルディーゼルエンジンエンジン

ｺﾓﾝﾚｰﾙ

DPNR

ﾃﾞｨｰｾﾞﾙHV

電気電気エネルギーエネルギー

EV

FCHV

究極のエコカー究極のエコカー

Gate 1 大気汚染防止

エネルギー多様化

Gate 2

Gate 3 CO2削減

CNG

代替燃料代替燃料エンジンエンジン

GTL

ﾊﾞｲｵ燃料

適 地 適 車適 時

ガソリンガソリンエンジンエンジン

VVTﾘｰﾝﾊﾞｰﾝ

D-4

THSﾊﾞﾙﾌﾞﾏﾁｯｸ

プラグイン HV

①車両①車両

ハイブリッド設計

1111

樹脂の特徴を活かしたハイブリッド設計

②，③②，③樹脂樹脂、、バイオプラスチックバイオプラスチック

透明

繊維

フィルム

粉体

形態

液体

固体

機能

カバー

骨格

意匠

接着

シール

塗装（レス）

性状

柔軟

成形性

高流動

透明×複雑・大型×繊維・フィルム×骨格・意匠・塗装レス

× × ×

1212

１．自動車と環境

１）自動車を取り巻く環境

２）取り組み（CO2対策）３）これからの取り組み

２．自動車とCFRP（現状）１）CFRP化の動向 （世の中）２）CFRP化の現状（トヨタ）

３．自動車とCFRP（展望）CFRP化の課題と展望

1313

２．自動車と２．自動車とCFRP１）１）CFRPCFRPの動向（世の中）の動向（世の中）

CFRP

CFRPCFRPの特徴（軽い、強い、固い、寸法精度、導電・・・）の特徴（軽い、強い、固い、寸法精度、導電・・・）

自動車の構造材（プロペラシャフト、モノコック・・）自動車の構造材（プロペラシャフト、モノコック・・）や機能材（水素タンク、燃料電池の電極・・）や機能材（水素タンク、燃料電池の電極・・）としての研究が欧州を中心に盛ん。としての研究が欧州を中心に盛ん。

1414

CFRPCFRP：：FWFW成形によるプロペラシャフト成形によるプロペラシャフト

50% 50% 軽量化（対３ジョイント、スチール製）軽量化（対３ジョイント、スチール製）-- 長尺シャフトの採用による部品点数の低減長尺シャフトの採用による部品点数の低減-- チューブ材料置換チューブ材料置換振動・騒音の低減振動・騒音の低減-- センタサポート廃止（センタサポート入力ゼロ）センタサポート廃止（センタサポート入力ゼロ）→→ こもり音、エンジンノイズの大幅低減こもり音、エンジンノイズの大幅低減-- ジョイント間距離拡大ジョイント間距離拡大→→ 発進時のねじれ抑制によりボデー振動低減発進時のねじれ抑制によりボデー振動低減

課題：リサイクル性、小径化、耐熱性能、コスト等課題：リサイクル性、小径化、耐熱性能、コスト等

（（FWFW：：Filament WindingFilament Winding））

自動車とCFRP

1515

（（FWFW：：Filament WindingFilament Winding））

CFRPCFRP：：FWFW成形による高圧水素タンク成形による高圧水素タンク

パワーコントロールユニットパワーコントロールユニット

モータモータFC FC スタックスタック

２次電池２次電池

CFRPCFRP高圧水素タンク高圧水素タンク

1616

（（ACAC：：Auto Clave)Auto Clave)

CFRPCFRP：：ACAC成形によるモノコック成形によるモノコック

Ｆ１：CFRP製モノコックの登場以来、死亡事故は激減。

Porsche Carrera GT Bugatti Veyron

Super Sports：限定生産の超高級スポーツ車向けに展開例多数

1717

近々の動向

CO2低減に向けたエコカー拡大

HV成長、EV（航続距離約100km）市販化

CFを使った軽量自動車部品の展開拡大

欧州車メーカーとCFメーカーの提携

LFA：CFRPボデー100kg（アルミ比)軽量化

車つくりの簡素化（新興国、車の家電化？）

自動車用途のCFRP（炭素繊維強化樹脂）に脚光

1818

Audi A2 concept BMW i3 concept

News - Audi Audi attacks BMW’s carbon-fibre eco car

Energy generated to make carbon-fibre BMW i3 would outweigh any benefit, says Audi

16 September 2011By JAMES STANFORD in FRANKFURT AUDI has criticised BMW’s plan to use carbon fibre re-enforced plastic (CFRP) bodies for future city cars, alleging the CO2 emitted during the production of the material far outweighs any fuel economy benefit.

GoAuto can also reveal Audi is trying to develop less energy-intensive material to replace carbon fibre, with a similar concept but replacing carbon-fibre with basalt-fibre or even waste plant-based fibres.

Audiが、BMWのフルカーボンキャビンとりくみを批判。製造段階でC０２排出する、リサイクルできないためAudiは、アルミと一緒に複合材を使用の方針。植物ﾍﾞｰｽ、バルサなど。15年のA2はそういう考え、など

1919

２）２）CFRPCFRPの動向（トヨタ）の動向（トヨタ）

チャレンジ 沈滞期 再チャレンジ？・リサイクル対応・ALの台頭

モータースポーツ

★LFA★研究（国家プロジェクト参画）

F1参戦

★プロペラシャフト

★水素タンク

１９９０ ２０００ ２０１０

2020

＜ハイブリッドシステム＞【プリウス】 【ＦＣＨＶ】

＜主要構成部品＞

エンジン

バッテリー

パワーコントロールユニット

パワーコントロールユニット

バッテリー

モーター モーター

燃料電池

トヨタＦＣＨＶ（燃料電池ハイブリッド車）

ﾊﾟﾜｰｺﾝﾄﾛｰﾙﾕﾆｯﾄ

FCｽﾀｯｸﾊﾞｯﾃﾘｰ

高圧水素ﾀﾝｸ

ﾓｰﾀｰ

FCｽﾀｯｸ

2121

高圧タンクの搭載状況‘04 ‘054 1 6

35MPaﾀﾝｸ認証取得

70MPaﾀﾝｸ認証取得

車輌型式認証取得(35MPaﾀﾝｸ)

‘08

必要水素搭載量（kg/車両）

第１世代 第２世代 第３世代

3.0

4.0

5.0

水素搭載量・タンク圧力と航続距離

700km

航続

距離

300km

500km

タンク圧力（ＭＰａ）

70

35

6

車輌型式認証取得(70MPaﾀﾝｸ)

FCHV-adv

航続距離を伸ばすために高圧化を推進

2222

Ｅy（軸方向）

Ｅz（周方向）

周方向

軸方向

ｶｰﾎﾞﾝ繊維

θ°

ＣＡＥによる強度解析モデル

９０°材４５°材０°材

θ°F F FCarbon fiber

（ＪＡＸＡ先進複合材料力学特性ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽより）

Fiber angle（°）

●0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

（CFRP,Vf=60,RT）

●

●Tensile strength（MPa）

2323

高圧タンクの製造方法高圧タンクの製造方法

軸方向強度を確保

周方向強度を確保

ヘリカル巻き

ｶｰﾎﾞﾝ繊維

軸方向

フープ巻き

周方向

胴部 ドーム部

ヘリカル層

フープ層

ドーム部

θ°

ﾍﾘｶﾙ，ﾌｰﾌﾟ層の巻き角度，巻き厚さが繊維構成最適化のポイント

2424

２）２）CFRPCFRPの動向（トヨタ）の動向（トヨタ）

チャレンジ 沈滞期 再チャレンジ？・リサイクル対応・ALの台頭

モータースポーツ

★LFA★研究（国家プロジェクト参画）

F1参戦

★プロペラシャフト

★水素タンク

１９９０ ２０００ ２０１０

2525

［財］日本規格協会次世代複合材料技術ハンドブック，’90より

2626

2727

2828

２）２）CFRPCFRPの動向（トヨタ）の動向（トヨタ）

チャレンジ 沈滞期 再チャレンジ？・リサイクル対応・ALの台頭

モータースポーツ

★LFA★研究（国家プロジェクト参画）

F1参戦

★プロペラシャフト

★水素タンク

１９９０ ２０００ ２０１０

2929

LF-A

3030

2009年5月29日

LF-Aの開発を続ける意味･･･？今日は、もう少しだけ、LF-Aへの思いをお伝えしたいと思います。

100年に1度と言われる経済危機の中、なぜLF-Aの開発を続けるのか？採算のよくないスポーツカーを切り捨てようとはしないのか？こういう風に思っている人は、決して少なくはありません。でも、こういう時代だからこそ、販売台数や利益を追求するだけでは、自動車会社はダメだと思います。

ヘンリー・フォードの手によって、T型フォードが誕生したのは、1908年。その当時、いちばんのライバルは、他社のクルマではなく、なんと「馬」でした。アメリカ中に、1,500万頭の馬が「馬車」として、移動手段の中心を成していたのです。そして、T型フォードは、基本的なモデルチェンジをすることなく、1927年までの20年間で、1,500万台を販売しました。計算上は、アメリカ中の馬車が20年かけて、すべてクルマに置き換わっていったのです。

それから100年が経った今、

次の100年も、クルマが必要とされる乗り物であってほしいと思いますし、そうさせなければならないと思います。もちろん、環境も大切、安全も大切、コストも大切です。でも、それだけでクルマの魅力を、これからも維持発展できるでしょうか？

A地点からB地点まで移動するのに、クルマが他の移動手段と違うのは･･･？それは、ドライバーの意思で走ったり、曲がったり、スピードを上げたり落としたり、寄り道したり、休んだり･･･と、自由に気持ちよく、クルマを味わえることだと思います。当然、そこには、ワクワク感も必要です。

クルマは、単なる移動手段ではないのです！

どんなクルマだって、そのキャラクターに合ったワクワク感を大切にしたクルマづくりが

必要なのです。

「クルマへのワクワク感･･･」、LF-Aは、ひとつの象徴です･･･。

3131

LFA

１．車両コンセプト

２．材料技術

３．設計技術

４．生産技術

５．性能

3232

レクサスが定義するスーパーカー

走行性能 官能性能

- 世界最高水準の走行性能と官能性能への到達

3333

軽量化コンセプト

シリンダボアのアーク溶射

チタンコネクティングロッド

チタンバルブ

CFRPキャビンCFRPルーフ及びフード

PC樹脂ガラスクォータウインドウPC樹脂ガラスパーティション

SMCパネルSMC/アルミハイブリッドドア

- 将来の量産化を視野に入れた軽量化技術の開発

CCM* ブレーキ*Carbon Ceramic Material

3434

LFA

１．車両コンセプト

２．材料技術

３．設計技術

４．生産技術

５．性能

3535

複合材技術

: プリプレグ

: RTM

: C-SMC*1

- さまざまな材料と工法を開発

成形硬質PUフォーム

三次元ブレーディング

三次元織り 新RTM工法

NCF*2

プリプレグ

熱可塑性エポキシプリプレグ

C-SMC

３種類のCFRP

CFRP閉じ断面構造

*2(Non-Crimp Fabric)

*1(Carbon fibre - Sheet Moulding Compound)

3636

３種類のCFRP

l - 性能と生産性のバランス

プリプレグ

RTM

C-SMC

(エポキシ)

(エポキシ)

(ビニルエステル)

比強度 比剛性

100%

78%

36%

100%

89%

54%

成形法（基材）

繊維長

連続

連続

25mm

性能

生産性

プリプレグ

C-SMC

RTM

比強度と比剛性 性能と生産性

3737

Mould

- 一次骨格に採用

優れた性能型投資額が安い

: プリプレグ

フィルム加圧

プリプレグ

プリプレグ

3838

NCF プリプレグ（ＮＣＦ：non-crimp fabric)

- カーボン繊維束のストレート化により高強度化- 良好な脱気性と樹脂粘性の調整が高面密度を実現

ボイド

樹脂

樹脂

脱気性悪い

脱気性良い

NCF(2軸)

織物CF

従来材

LFA 24K

450g/m2

3K ~ 12K

60 ~ 230g/m2

繊維束

繊維束

面密度

面密度

隙間

3939

Type of void Influence on Physical properties

Small

Small

De-aerationtemperature

２０℃

３０℃

６０℃Unimpregnation

in tow Large

Void in epoxy

resin

Void in tow

Cross-section of molded pieces

Measurement of voids occurring duringlow pressure molding

－ The improvement of epoxy resin －

The higher the stack temperature is the worse influence for mechanical properties.

4040

1) The viscosity must be increased to prevent blockage of the air passages at room temperature.2)The viscosity in penetration must be decreased to allow the resin into the fibers.→To resolve this contradiction, a multi-functional powder epoxy was integrated into the

conventional resin.

－ Aim of resin improvement －

Vis

cosi

ty

time

Temperature

Stack Penetration Curing

130℃

90℃

20℃

Measurement of voids occurring duringlow pressure molding

4141

1) Conventional material achieved a void rate below 2% under a vacuum at a maximum temperatof 10ºC.

2) In contrast, developed material had a maximum void rate of 2% at 20ºC.

Measurement of voids occurring duringlow pressure molding

－ Results；Relation between stack temperature and occurrence of void

0

2

4

6

8

0 10 20 30 40 50 60 70Stack Temperature （℃）

Voi

d ra

tio（％）

Target ●

Void

●：Development：Conventional

●

4242

RTM: RTM

- 二次骨格に採用

プリプレグに次ぐ性能プリプレグに勝る生産性

Mould

エポキシ樹脂

加圧

加熱

生繊維基材

4343

Mould

SMC

C-SMC

加熱

: C-SMC- - 複雑形状パネルに採用最も良い生産性複雑形状パネルも成形可能

加圧

4444

C-SMC- 構造部材に使えるC-SMCを開発

樹脂 : カーボン繊維に適したビニルエステル樹脂を開発カーボン繊維表面処理 : ビニルエステルに最適なサイジング材を開発複合構造 : カーボン繊維は均一に分散し、方向はランダム

4545

外板パネル-低重心化をねらい、水平外板には軽量なCFRPを採用

- - 意匠自由度向上のため垂直外板には低密度SMCを採用

: RTM: G-SMC*(微細中空ガラス球入り)

*(Glass fibre - Sheet Moulding Compound)

4646

外板パネル-微細中空ガラス球入り樹脂による軽量化

バインダー

ガラス繊維

微細中空ガラス球

G-SMC G-SMC+ 微細中空ガラス球

1.75

1.45

比重(g/cm3)

16%

φ40μmガラス繊維

LFA

比重比較

4747

LFA

１．車両コンセプト

２．材料技術

３．設計技術

４．生産技術

５．性能

4848

接合技術 – 接着

適用

3. シート状接着材(ガラスビーズ入り)

組み立て工程で使用２液混合式隙：設計指示通り

接着法

1. 接着剤

2. フィルム接着

硬化部品

同士の接着

未硬化及び硬化

CFRPの接着

アルミインサートと未

硬化CFRPとの接着

成形工程で使用隙：ほぼゼロで安定(フィルム厚 0.2mm)

成形工程で使用線膨張係数差を吸収隙：ガラスビーズで確保

特徴

• - ３種類の接着法を開発

未硬化及び硬化

CFRPの接着

4949

接合技術 –接着 インサート構造-表面処理（電着塗装）- 線膨張差吸収用シート状接着剤- ガラスビーズによる接着剤厚み確保

サスペンションメンバ締結構造

締結インサート（アルミ）

ボルト

CFRP メンバ

サスペンションメンバ

CFRPインサート材

シート状接着剤

1.0mm

ガラスビーズ

5050

フロントクラッシュレール- - 三次元織りによる効果的なエネルギー吸収

A

Aクラッシュレール(2.36kg*:ブラケット含む)

サイドメンバ

ダッシュパネル

A - A

三次元織り繊維- *アルミ部品に比べ40%の軽量化

三次元織り

二次元繊維

5151

側突の衝撃吸収

• - サイドメンバ内のCFRP製衝撃吸収コルゲート

5252

LFA

１．車両コンセプト

２．材料技術

３．設計技術

４．生産技術

５．性能

5353

CFRPボディ生産技術開発のポイント- - 1. 部品製造のための新技術

• - 2. 接着の品質管理

部品製造 接着 締結

5454

CFRP部品のための新生産技術• - 以下の技術で生産性を改善:

大型フロアの一体成形

三次元織り技術

短時間成形

一体成形 三次元織り技術

ルーフレールクラッシュレールフロアパネル

短時間成形

アッパボディ織機技術と自動車技術の融合

5555

一体成型

新RTM成形法

プリフォーム 一体成形

10部品をプリフォーム

- - 発泡コア、コルゲートインサートとともにプリフォーム

- - 新RTM成形法にて大型フロアの一体化

発泡コア

生繊維基材

コルゲートインサート

5656

三次元織り技術 (例１)- 三次元自動ブレーディングによるルーフサイドレールの

プリフォーム製造技術を開発

湾曲

板厚変化

断面変化

三次元自動ブレーディング 複雑な三次元形状

ルーフサイドレール

複雑な三次元形状 , ニアネットシェイプ , 一部品プリフォーム

5757

LFA

１．車両コンセプト

２．材料技術

３．設計技術

４．生産技術

５．性能

5858

剛性-軽量でありながら高いボディ剛性

◆◆

◆

◆●

●

●●

●●

●

●●

●●

乗用車

スーパーカー LFA

39,000Nm/deg

10

20

30

40

0403530 4525

静的ねじり剛性(×103Nm/deg)

車両サイズ (kNm : 車両重量 × ホイールベース長)

ねじり剛性比較

5959

１．自動車と環境

１）自動車を取り巻く環境

２）取り組み（CO2対策）３）これからの取り組み

２．自動車とCFRP（現状）１）CFRP化の動向 （世の中）２）CFRP化の現状（トヨタ）

３．自動車とCFRP（展望）CFRP化の課題と展望

6060

産業用途におけるCF使用量増加

東レ㈱資料から

6161

自動車構成材料の世界生産量

1800 1900 2000カロザース

（ナイロン６６）蒸気自動車 ガソリン車

ダイムラー フォード

粗鋼

樹脂

アルミ

炭素繊維

46.946.9

44.144.1

42.542.5

35.935.9

36.636.6

14.314.3

20.220.2

20.820.8

23.723.7

23.923.9

13.813.8

11.411.4

10.410.4

10.210.2

8.28.2

66

7.87.8

7.27.2

10.410.4

10.610.6

3.63.6

55

7.17.1

9.29.2

99

55

5.65.6

3.93.9

4.14.1

5.15.1

33

2.42.4

2.62.6

2.92.9

2.62.6

7.47.4

3.43.4

5.45.4

3.63.6

4.14.1

‘‘6868

‘‘7878

‘‘8888

‘‘9696(1313kg)(1313kg)

(1300kg)(1300kg)

(1144kg)(1144kg)

(1020kg)(1020kg)

‘‘0000(1371kg)(1371kg) 鉄鉄 非鉄非鉄 樹脂樹脂

その他その他ガラスガラスゴムゴム

((鋼板鋼板)) ((鋼材鋼材)) ((鋳鉄鋳鉄))

7575

75.775.7

73.773.7

69.869.8

68.768.7

46.946.9

44.144.1

42.542.5

35.935.9

36.636.6

14.314.3

20.220.2

20.820.8

23.723.7

23.923.9

13.813.8

11.411.4

10.410.4

10.210.2

8.28.2

66

7.87.8

7.27.2

10.410.4

10.610.6

3.63.6

55

7.17.1

9.29.2

99

55

5.65.6

3.93.9

4.14.1

5.15.1

33

2.42.4

2.62.6

2.92.9

2.62.6

7.47.4

3.43.4

5.45.4

3.63.6

4.14.1

‘‘6868

‘‘7878

‘‘8888

‘‘9696(1313kg)(1313kg)

(1300kg)(1300kg)

(1144kg)(1144kg)

(1020kg)(1020kg)

‘‘0000(1371kg)(1371kg) 鉄鉄 非鉄非鉄 樹脂樹脂

その他その他ガラスガラスゴムゴム

((鋼板鋼板)) ((鋼材鋼材)) ((鋳鉄鋳鉄))

7575

75.775.7

73.773.7

69.869.8

68.768.7

炭素繊維

生産量（億トン）

10

0

6262

将来の自動車を取り巻く環境不安材料

地球環境問題（課題のLCA）

前向きな考え方

CFRPはクリーン（売れるLCA）

高齢化（年金問題）

少子化（労働力の低下）

工場、補助ロボットのCFRP化で会社も個人も生産能力アップ

いつまでも働ける環境づくり

中国、インド、韓国・・の台頭 本家本元のモノづくりに欠かせない手軽に造れるCFRP

超情報化社会⇒間違った情報

⇒巨大な共有感覚グループ（クチコミ、ランキング・・・）

カテゴリーに合わせたCFRP（オールマイティは狙わない）

6363

カテゴリーに合わせたCFRP

生産量

レクサス

ハイブリッド

ヴィッツ

いろいろな感動

ＬＦＡ走り

ステータス

10/月 100/月 1000/月 10000/月

コミューター？

ISF

？

CFRP意匠外板 大量生産

CFRP軽量骨格

（CFRPならではの意匠）

（CFRPならではの構造）大量生産

A.

B.

現状能力

燃費

手頃

6464

（CFRPならではの意匠を大量生産）A. CFRP意匠外板の展望

凹み（クロス目）

h繊維束（横糸） 繊維束（縦糸）

樹脂

耐熱樹脂

比容積、凹み（ｈ）

常温

温度

塗装温度

従来樹脂

従来樹脂Ｔｇ 耐熱樹脂Ｔｇ

ｈ従来樹脂

ｈ耐熱樹脂

6565

（CFRPならではの意匠を大量生産）

①高生産CFRP工法

型内占有時間が大幅に短縮

ⅰ衝突混合注入ヘッド

ⅱ、ⅲ低粘度速硬化エポキシ樹脂

粘度新樹脂従来樹脂

硬化時間 ＞90分 ＜3分極低低

準備時間が短縮、樹脂使用量が低減

注入時間

新工法（HP-RTM）従来工法（RTM）

装置４S時間 （混合樹脂排除） 0＜1分＞10分

樹脂歩留 △ ○

下型

上型

主剤 硬化剤

下型

上型

主剤 硬化剤スタティックミキサー エポキシ樹脂

＜新樹脂・新工法＞

②高生産CFRP樹脂

成形時間；＞120分

成形時間；＜5分

＜従来樹脂・工法＞ ①高生産CFRP工法

型内占有時間が大幅に短縮

ⅰ衝突混合注入ヘッド

ⅱ、ⅲ低粘度速硬化エポキシ樹脂

粘度新樹脂従来樹脂

硬化時間 ＞90分 ＜3分極低低

準備時間が短縮、樹脂使用量が低減

注入時間

新工法（HP-RTM）従来工法（RTM）

装置４S時間 （混合樹脂排除） 0＜1分＞10分

樹脂歩留 △ ○

下型

上型

主剤 硬化剤

下型

上型

主剤 硬化剤

下型

上型

主剤 硬化剤

下型

上型

主剤 硬化剤スタティックミキサー エポキシ樹脂

＜新樹脂・新工法＞

②高生産CFRP樹脂

成形時間；＞120分

成形時間；＜5分

＜従来樹脂・工法＞

HP-RTM工法

RTM工法

6666

カテゴリーに合わせたCFRP

生産量

レクサス

ハイブリッド

ヴィッツ

いろいろな感動

ＬＦＡ走り

ステータス

10/月 100/月 1000/月 10000/月

コミューター？

ISF

？

CFRP意匠外板 大量生産

CFRP軽量骨格

（CFRPならではの意匠）

（CFRPならではの構造）大量生産

A.

B.

現状能力

燃費

手頃

6767

B. CFRP軽量骨格の展望（CFRPならではの構造を大量生産）

１）性能

２）量産性

３）コスト

４）LCA５）リサイクル

６）信頼性

6868

LFALFA工法と要求特性工法と要求特性

？

性能

量産性

コスト

LCA

リサイクル

信頼性

芸術品

工業品

繊維の長さ 成形方式基材（成形法）

連続

連続

25mm

流さない

流さない

繊維 樹脂

流さない

流す

流す 流す

プリプレグ

RTM

CF-SMC

樹脂樹脂注入成形

型

加熱

生繊維基材

加熱プレス成形

型

加圧

加熱

CF-SMC

（樹脂含浸中間素材）

（生繊維基材）

（樹脂含浸中間素材）

射出成形 ＜１mm 流す 流す

CFR

P参考

（RFI, バキュームバック等）

バキュームバック成形

真空引

型

基材

加熱フィルム

ウエルド

A.

B.

C.

メリット

設計通りの積層が可能

条件さえ守れば極めてボイドが少ない製品が可能

形状自由度大

量産性に富む

繊維の長さ 成形方式基材（成形法）

連続

連続

25mm

流さない

流さない

繊維 樹脂

流さない

流す

流す 流す

プリプレグ

RTM

CF-SMC

樹脂樹脂注入成形

型

加熱

生繊維基材

樹脂樹脂注入成形

型

加熱

樹脂樹脂注入成形

型

加熱

生繊維基材

加熱プレス成形

型

加圧

加熱

CF-SMC

加熱プレス成形

型

加圧

加熱

CF-SMC

（樹脂含浸中間素材）

（生繊維基材）

（樹脂含浸中間素材）

射出成形 ＜１mm 流す 流す

CFR

P参考

（RFI, バキュームバック等）

バキュームバック成形

真空引

型

基材

加熱フィルム

バキュームバック成形

真空引

型

基材

加熱フィルム

メリット

設計通りの積層が可能

条件さえ守れば極めてボイドが少ない製品が可能

形状自由度大

量産性に富む

課題

ウエルド等

？

？

？

高

LFA工法 極大

B対応工法

6969

性能 を落とさずに、量産性、コスト、LCA、リサイクル、信頼性を上げる。

解繊糸

ＣＦＵＤ

クロス

短繊維

不織布

ＡＦ

ＧＦ

ＣＦ

ＡＦ

ＣＦ/ＡＦ

ＧＦ

ＣＦ

ＡＦ

エポキシ ｳﾚﾀﾝ･ｴｽﾃﾙ VE熱硬化 熱可塑

ＰＣＢＩ

ＳＭＣ

ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ

RTM

RTM

ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ

ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ

FW

型内重合熱可塑樹脂

熱可塑RTM

ＰＥＥＫＰＥＥＫＰＰＰＰ

スワールＣＦ

ＧＦ

紙すき

熱可塑・易腑形ＣＦ/ＡＦ強化RTM　　　→プレス成形

ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ

ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ

ＣＦ/ＡＦ ｺﾐﾝｸﾞﾙ

衝突、　リサイクル、コスト、　新規性

衝突、　生産性、　新規性

部分的に導入

樹脂繊維基材

キャビン

成形サイクル

腑形性

ＣＦＵＤ

クロス

短繊維

不織布

ＡＦ

ＧＦ

ＣＦ

ＡＦ

ＣＦ/ＡＦ

ＧＦ

ＣＦ

ＡＦ

エポキシ ｳﾚﾀﾝ･ｴｽﾃﾙ VE熱硬化 熱可塑

ＰＣＢＩ

ＳＭＣ

ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ

RTM

RTM

ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ

ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ

FW

型内重合熱可塑樹脂

熱可塑RTM

ＰＥＥＫＰＥＥＫＰＰＰＰ

スワールＣＦ

ＧＦ

紙すき

熱可塑・易腑形ＣＦ/ＡＦ強化RTM　　　→プレス成形

ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ

ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ

ＣＦ/ＡＦ ｺﾐﾝｸﾞﾙ

衝突、　リサイクル、コスト、　新規性

衝突、　生産性、　新規性

部分的に導入

樹脂繊維基材

キャビン

成形サイクル

腑形性

LFA

熱可塑CFRPを調べる意味は大きいか

7070

世の中の研究開発動向世の中の研究開発動向

ＮＥＤＯ ｘ 経産省繊維課

「サステナブルハイパーコンポジット技術の開発」国内

（東大×東レ×三レ、トヨタ×日産×ホンダ）

欧州 ＫＩＴＥｈｙＬＩＴＥ

「ハイブリッド軽構造技術」

（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ×各大学×ＳＧＬ、Audi×BMW）

熱可塑樹脂、長繊維複合技術への期待大

7171

CFRP軽量骨格材料開発の今後

熱可塑CFRPの特徴を理解しながら、１）強みを活かし、２）弱み（懸案）を克服し、

新しい創造を日本から発信

今日は、LFA技術開発時の観点から熱可塑CFRP開発の着目点を診てみたい。今日は、LFA技術開発時の観点から熱可塑CFRP開発の着目点を診てみたい。

7272

量産性 ⇒ CF-SMC方式採用（プレス方式）LFA

熱可塑は？

CSMC型

加圧

加熱

型

加圧

加熱

C-SMCCSMCCSMC型

加圧

加熱

型

加圧

加熱

C-SMC

熱硬化性樹脂に１インチ長カーボン繊維をランダム配向させたシート

柔軟性がある（＠RT）

柔軟性がない（＠RT）

熱可塑長繊維シート

高粘度（＠プレヒート温度）

型

加圧

加熱

型

加圧

加熱

-

型

加圧

加熱

型

加圧

加熱

型

加圧

加熱

型

加圧

加熱

-

型

加圧

加熱

型

加圧

加熱

シート間の樹脂（高分子）、繊維の絡み合いは？ ウエルド

プレヒート

シート

低粘度（＠型温度）

性能 を落とさずに、量産性、コスト、LCA、リサイクル、信頼性を上げる。

7373

性能 を落とさずに、量産性、コスト、LCA、リサイクル、信頼性を上げる。

２００４１９９５

石油

ナフサ

アクリロニトリル

PAN繊維PAN

（DMA溶媒溶液紡糸）

（PPベース化学合成）

（化学重合）

耐炎化繊維

（空気燃焼酸化

200～300℃）

中間体繊維

（不活性炭化

1000～1500℃）

炭素繊維

（不活性黒鉛化

2000～3000℃）

価格（円

/ｋｇ）

CF織布

（織機）

プリプレグ

3K平織3K平織 12K 24K 24K 24K多軸CF多軸

原料 炭素繊維（CF） CF基材 CFRP中間基材

∝熱エネルギーコスト

∝石油・ナフサ価格

∝織機コスト ∝複合処理コスト

　　樹脂コスト

？

石油価格動向に

　よるところ大追求の余地大

　

3K 12K 12K

２０００

24K

太い繊維束を使う

織物にしない①多軸にする⇒多軸RTM②短くカットする⇒CF-SMC③繊維を巻き取る⇒FW

２００４１９９５

石油

ナフサ

アクリロニトリル

PAN繊維PAN

（DMA溶媒溶液紡糸）

（PPベース化学合成）

（化学重合）

耐炎化繊維

（空気燃焼酸化

200～300℃）

中間体繊維

（不活性炭化

1000～1500℃）

炭素繊維

（不活性黒鉛化

2000～3000℃）

価格（円

/ｋｇ）

CF織布

（織機）

プリプレグ

3K平織3K平織 12K 24K 24K 24K多軸CF多軸

原料 炭素繊維（CF） CF基材 CFRP中間基材

∝熱エネルギーコスト

∝石油・ナフサ価格

∝織機コスト ∝複合処理コスト

　　樹脂コスト

？

石油価格動向に

　よるところ大追求の余地大

　

3K 12K 12K

２０００

24K

太い繊維束を使う

織物にしない①多軸にする⇒多軸RTM②短くカットする⇒CF-SMC③繊維を巻き取る⇒FW

LFA

熱可塑も同様

7474

織物にしない

多軸プリプレグ基材

ＣＦチョップドストランド（25mm長炭素繊維束、ランダム配向）

繊維体積含有率Vf：40％（高強度SMCの1.25倍）

①多軸にする⇒多軸RTM

②短くカットする⇒CF-SMC（C-SMC)

③繊維を巻き取る⇒FW、 編組

プリプレグ基材

繊維束（横糸）

未硬化樹脂

プリプレグ基材

繊維束（横糸）

未硬化樹脂

LFA

サイドメンバー

バックドアサラウンドASSY

ブレーディング装置

ルーフサイドレール

熱可塑も同様

7575

性能 を落とさずに、量産性、コスト、LCA、リサイクル、信頼性を上げる。（例）労務費削減⇒高効率ハイブリッド構造設計

長繊維CFRP

鋼材

アルミ

連続繊維CFRP

樹脂（板）

・等方化し易い長繊維CFRPを基本。他材で補助・樹脂（板）を長繊維CFRP、連続繊維CFRPで補強

骨格面

長繊維CFRP

アルミ

鋼材

×

LFA C-SMC 熱可塑も同様

7676

C-SMC（長繊維CFRP） ＋ 連続繊維CFRP

C-SMC（長繊維CFRP）

連続繊維CFRP

LFA

熱可塑ではどうか？

7777

性能 を落とさずに、量産性、コスト、LCA、リサイクル、信頼性を上げる。

（例）多機能化⇒高効率ハイブリッド機能材料

・CFRP樹脂＝母材＋（塗装材＋接着剤）⇒ 工程（塗装、溶接・締結）削減はできないか？

塗装の一体成形 ⇒ クリア樹脂インモールド、フィルムインモールド、粉体塗装 ・・・

⇒ 塗装面の大幅削減

大型一体成形 ⇒ 接合部位の大幅削減

LFA RTM

熱可塑は？

7878

LFA RTM大型一体フロア

モジュール化してできるだけ一体成形

LFA

熱可塑は？

他部品と一体接着＋機械締結

（１）流動粘度が高く、大型設備が必要。（大型プレス等）

（２）接着が不得意。 溶着は得意。（インマニの振動溶着）

⇒大型溶着の技術がない。

（１）低圧成形が可能な専用材料・工法の採用？⇒欧州LFT-D工法、型内重合工法（ナイロンRIM等）

（２）板物＋接合多用工法の採用、大型溶着技術の開発？

7979

性能 を落とさずに、量産性、コスト、LCA、リサイクル、信頼性を上げる。

CO

2収支

kg/1

0万km

ＲＴＭ

アルミ

ベース材（５７０L)

2010 20XX 20XYCＦＲＰ

0

素材製造素材輸送部品加工廃棄 走行時

ベースのアルミのCO2収支が０になるよう設定

CO2収支

③歩留まり向上

⑤カーボンニュートラル（材料、エネルギー）

④リサイクル

①CF原単位精査

⑥更なる軽量化（高効率設計等）

アルミ再生

連続繊維

CFRTP

プレス

②熱可塑プレス化

BＦＲＰ？

？

鋼材

長繊維 プ

レス

CFRTP

LFA 熱可塑化で製造エネルギー低減

CSMC

バイオCF

バイオ樹脂＋

LFT-D

⑦現場複合

8080

性能 を落とさずに、量産性、コスト、LCA、リサイクル、信頼性を上げる。

工程内端材

廃棄 ミルド繊維利用

溶解分離利用 不織布

熱分離利用

燃焼エネルギー利用

＊CFRPの回収・分離をうまくできるか？

8181

ＦＲＰ部材のリサイクル （他産業の現状）2005 2010

船舶（ＧＦＲＰ）船舶（ＧＦＲＰ）

航空機（ＣＦＲＰ）航空機（ＣＦＲＰ）

ＦＲＰ船不法廃棄問題

2005； ＦＲＰ船のリサイクル事業開始（日本舟艇工業会主導、トヨタ含）

能力；4000トン/年実績；800トン/2008年）

エアバス社（欧州） ボーイング社（米国）

Ａ３８０ ７８７

模索段階

他産業（自動車含）

用途に再生

航空機用途に再生＜考え方＞ ＜考え方＞

ＣＦＲＰ機体開発

マリン事業部船舶は、粉砕後、セメントの原料や燃料へ！（マテリアル・サーマルリサイクル可）

マリン事業部船舶は、粉砕後、セメントの原料や燃料へ！（マテリアル・サーマルリサイクル可）

原料燃料

廃棄船 自治体管理者

粗粉砕(1m) 粉砕（3cm)

廃棄船 自治体管理者

粗粉砕(1m) 粉砕（3cm)

セメント

委託処理業者（豊田メタル等）

8282

CFRPCFRPのリサイクル方式のリサイクル方式熱可塑系は？熱硬化CFRP

熱分解毒性の無い樹脂全て

対象樹脂分離手段 コスト 課題？分離法

熱分解

溶解

分解

部分酸化

エステル系他

大牟田

日立化成（常温、常圧）

三菱重工

回収物

CO2

原料モノマ

メタノール

触媒（常圧）

樹脂を選ぶ

熱分解毒性の無い樹脂ほぼ全て

原料モノマ

？

？

？

◎

○

△

△

CO2＝±０化

CO2＝－化

×

○

○ ？

△

樹脂選択性？

樹脂選択性？

メタノールの用途開発

（欧州多）

CF繊維（ミルド）

CF繊維（長繊維）

○

○

CF繊維（長繊維）

○

CF繊維 ○

CFR（不織布）

？

？

8383

繊維基材 ⇒ カット ⇒ 成形 ⇒ 市販 ⇒ 修理 ⇒ 廃棄 ⇒ 回収 ⇒ 粉砕

↓

工程内端材プリプレグ生基材硬化物

↓

廃棄部品

↓

廃棄シュレッダー硬化物（小片）

→ミルド繊維→サイズ処理→他部品

熱分解・熱回収

溶液分解・液再利用

廃棄車両硬化物（他材含）

溶液分解・液再利用

→長繊維→サイズ処理→他部品→長繊維→サイズ処理→他部品

熱可塑樹脂の溶解性？

熱可塑熱可塑CFRPCFRPのリサイクル課題のリサイクル課題

熱分解・熱回収

熱可塑樹脂の燃焼性？

熱可塑樹脂の破砕性？

→ミルド繊維→サイズ処理→他部品

熱可塑樹脂種に合わせたサイジング剤処理？

8484

性能 を落とさずに、量産性、コスト、LCA、リサイクル、信頼性を上げる。

サイジング剤処理

１）接合（CFと樹脂の接着）LFA

熱可塑化； CFメーカーを中心にサイジング剤の開発が盛ん

8585

２）接合（異種材との接合）

LFA ALインサートとCFRP間に熱膨張差を吸収できる層を配置

熱可塑； 同様な機構、材料が必要？

サスペンションメンバ締結構造

締結インサート（アルミ）

ボルト

CFRP メンバ

サスペンションメンバ

CFRPインサート材

シート状接着剤

1.0mm

ガラスビーズ

サスペンションメンバ締結構造

締結インサート（アルミ）

ボルト

CFRP メンバ

サスペンションメンバ

CFRPインサート材

シート状接着剤

1.0mm

ガラスビーズ

8686

熱可塑樹脂にも時間-温度換算則が成り立つと仮定し、樹脂のみを比較すると、 LFA；熱硬化（EPOXY)

３）クリープ特性

E'-T(82℃)

1.00E+07

5.10E+08

1.01E+09

1.51E+09

2.01E+09

1.E-18 1.E-14 1.E-10 1.E-06 1.E-02 1.E+02 1.E+06 1.E+10 1.E+14 1.E+18 1.E+22 1.E+26

log T(hr)

E'(Pa)

PP

PA6

EPOXY

熱可塑化；繊維複合による効果を最大限引き出す（結晶制御等）クリープ特性を考慮した設計が必要か？

E’

log t (hr)

8787

側突用ＥＡ部品側突用ＥＡ部品

stroke

load

熱硬化 EP

熱可塑 EP

落錘試験結果

熱可塑エポキシ

LFA 熱可塑LFAで唯一熱可塑CFRPを採用

衝撃吸収能衝撃吸収能

熱可塑熱可塑CFRPCFRPの強みの強み

8888

産官学民の力を合わせて、産官学民の力を合わせて、

ご清聴、ありがとうございます！ご清聴、ありがとうございます！

企画（創造）～規格（継続）