鉄並みに安くなる炭素繊維？

いわゆる量産自動車として世界で初めて一次構造に CFRP(carbon fiber reinforced plastic)を採用した、BMW i3が話題となっている。自分は、この自動車をどのように成形しているのか、非常に興味があった。

日経ものづくりという雑誌で、そのCFRP骨格の製造法が大まかに紹介されていた。

レースフィールドばかり見ていると、カーボン製品というのはプリプレグを重ね合わせ、オートクレーブにて硬化させる手法が一般的であるように思われがちである。この手法では、プリプレグを必要とされている形に切り抜き、枚数を重ね、オートクレーブで数時間単位で加熱し、やっと一つの製品が出来上がるため、量産には向いていない事で有名である。

この問題を解決するには、RTMという手法がある。
RTMは、樹脂が含浸していない織物シートをあらかじめ製品の形にし、樹脂を流し込み製品にする手法である。ここで、自動車のモノコックフレームを作るとなると、その型の引き抜き等はどうするのだろう、という疑問があった。

雑誌によると、i3の作り方は以下の通りである。まず、モノコックフレームを鋼板のごとく分割し、それぞれをRTM成形により作製する。これにより、オートクレーブを用いた成形と比較して非常に短時間での硬化が可能となる。そして得られた部品を、接着剤により接合し、モノコックに仕上げるとの事である。尚、いわゆるシャシーに関しては従来通り金属材料で作られているため、上屋とシャシーはボルトにより結合される。
以上の工程により、CFRPを一次構造に用いた量産自動車が作製される。

尚、i3は量産自動車のため、全面的にRTMを採用しているが、トヨタ自動車が製造したLFAは、ボンネット、ルーフなどの部分にRTMを採用し、一次構造にはレースフィールドと同様、プリプレグを積層しオートクレーブにて成形しているとのことである。
これは、BMWの量産体制が優れているとの見方もあるかも知れないが、トヨタ自動車がRTM成形の欠点であるボイドの発生に対して何らかの否定的な見方の方が優っているとも考えられる。一般に、RTM成形は樹脂を含浸させる際に、ボイドという空気の気泡が発生する事がある。樹脂中のボイドの量によっては、CFRPの強度・剛性が10%低下するという報告もある。これに対し、プリプレグを積層したオートクレーブ成形ではこのようなボイドの問題が比較的少ない。BMW社はこの問題を解消したのか、未解決ではあるが多点樹脂注入によりボイドの発生を無視できるレベル、または許容範囲に抑えているか、現状では不明である。

何はともあれ、i3の質量がカローラの1060kgよりも重い1260kgと聞いた時は驚愕したが、BMW社がパイオニアとなってRTM成形を量産自動車の製造に導入した事を、今後の自動車産業の更なる発展の原動力となるよう、応援したいと思う。