総自動車における構造接着技術車体接着の技術動向と課題および市場劣化予測技術の開発 Review 説受理平成 29 年 6 月 15 日自動車における構造接着技術車体接着の技術動向と課題および市場劣化予測技術の開発 Structural Bonding Technolog

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せせらかがんじ
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283 22 総説受理平成 29 年 6 月 15 日車体接着の技術動向と課題および市場劣化予測技術の開発 Structural Bonding Technology for Automotive 氷室雄也 * 麻川元康 * 山本研一 * Katsuya HIMURO, Motoyasu ASAKAWA, Kenichi YAMAMOTO 1.

上や車両の空気抵抗の低減車両の軽量化などに取り組み二酸化炭素排出量の低減を進めているしかしながら 1990 年代以降衝突安全性や快適性を向上するための装備の増加などのため車両重量が年々増加傾向にあり車両の軽量化のための技術開発が重要になっている特に車両重量の 40 程度を占める車体への軽量化要求は高く車体の軽量化技術の開発は特に重要と考えられる車体の軽量化は

材料技術では通常の鋼板と比較して引張強さの高い高張力鋼板の適用拡大に加えアルミ合金や繊維強化複合樹脂などに代表される軽量材の活用や材料置換が進んでいる工法技術では従来から使用されている抵抗スポット溶接のような点接合からレーザー溶接や接着といった線面接合への移行が進んでいる点接合の中でも異種麻川元康略歴マツダ技術研究所テクニカルスペシャリスト 1997

1 総説受理平成 29 年 6 月 15 日車体接着の技術動向と課題および市場劣化予測技術の開発 Structural Bonding Technology for Automotive 氷室雄也 * 麻川元康 * 山本研一 * Katsuya HIMURO, Motoyasu ASAKAWA, Kenichi YAMAMOTO 1. はじめにに充てることで軽量化に寄与することができるここでは車体接着の技術動向および性能上生産上環境エネルギー問題から自動車の二酸化炭素排出量の課題を概説する特に性能上の課題の一つである耐久の規制が強化されてきているそのため自動車メーカー各信頼性に関して市場における経時劣化予測における我々社はエンジンや駆動系などのパワートレインの効率向の取り組みを紹介する上や車両の空気抵抗の低減車両の軽量化などに取り組み二酸化炭素排出量の低減を進めているしかしながら 1990 年代以降衝突安全性や快適性を向上するための装備の増加などのため車両重量が年々増加傾向にあり車両の軽量化のための技術開発が重要になっている特に車両重量の 40 程度を占める車体への軽量化要求は高く車体の軽量化技術の開発は特に重要と考えられる車体の軽量化は構造設計技術と材料技術工法技術の氷室雄也略歴マツダ技術研究所アシスタントマネージャー 2006 年大阪大学大学院工学研究科修了日本接着学会委員専門車体の構造用接着技術車体の振動解析技術 3 方向から取り組まれている構造設計技術では構造の連続化やマルチロードパスを採用することにより車体全体で均一に荷重を受け持つこと応力分散が進められている材料技術では通常の鋼板と比較して引張強さの高い高張力鋼板の適用拡大に加えアルミ合金や繊維強化複合樹脂などに代表される軽量材の活用や材料置換が進んでいる工法技術では従来から使用されている抵抗スポット溶接のような点接合からレーザー溶接や接着といった線面接合への移行が進んでいる点接合の中でも異種麻川元康略歴マツダ技術研究所テクニカルスペシャリスト 1997 年 3 月大阪大学大学院工学研究科修了 2005 年鉄 / アルミ摩擦点接合技術研究と実用化専門接合部の腐食防食趣味サキソフォン子供と遊ぶ方が楽しいので中断中材料を接合するための接合工法として摩擦攪拌接合やリベットが採用されつつあるまた面接合である接着は接合部の口開き変形を抑えるとともに応力を分散することができ車体の剛性向上や振動低減に大きな効果があるこれらの性能向上分を車体構造部材の薄板化や形状簡素化 * マツダ広島県安芸郡府中町新地 * Mazda Mator Corporation 3, Shinchi, Fuchu-cho. Aki-gun, Horoshima , Japan 山本研一略歴マツダ技術研究所アシスタントマネージャー 1992 年広島大学大学院生物圏科学研究科修了 Ph.D 自動車技術会疲労信頼性部門委員会委員専門車体の構造用接着技術材料の構造観察技術

日本接着学会誌 23 284 Vol. 53 No. 8 2017 ことで軽量化と車体生産性を同時に確保している例え 2.

2 日本接着学会誌 Vol. 53 No ことで軽量化と車体生産性を同時に確保している例え 2. 車体接着技術の動向ば BMW i3 ではエポキシ樹脂をマトリクスとする熱硬化一般的に自動車の車体接着は構造用接着剤と点接合性 CFRP のボデーが採用されているがその接合には主にである抵抗スポット溶接を併用するウェルドボンド接合が接着剤が使用されており点接合などのその他の接合方法主流となっているウェルドボンド接合は 1990 年代かによる接合はほとんど行われていないまたボデーとアら欧州メーカーを中心に適用が増加しており塗布長さでルミスペースフレームのシャシーの接合にもボルトに加 100 m 以上適用した車体も存在するまた 2010 年代に入えて接着剤が適用されている 3 最近では BMW 7 シリーり国内メーカーでもウェルドボンド接合の適用が積極的ズのように鉄鋼とアルミ合金を組み合わせたマルチマテになっている 1, 2 ウェルドボンド接合は接合部の剛性やリアル車体構造に CFRP の補強体を接合するなど様々な強度耐久性の向上が主要な目的であるためヤング率と材料が適材適所に適用されている例も出てきており接着強度が高いエポキシ系の接着剤が使われることがほとんど剤の適用は当たり前の技術となってきているである接着剤は１液の熱硬化型であり車体工程内で塗布し相手部品と点接合され次の塗装工程内の乾燥炉のエ 3. 車体接着技術の課題ここでは車体接着技術の課題を生産面と性能面に分けネルギーを利用して硬化させるまた近年増加している車体の一部にアルミや繊維強て解説する化複合材などの軽量材を使用したマルチマテリアル車体においても接着剤が適用されるマルチマテリアル車体に 3.1 生産面での主要課題接着剤を適用する第 1 の目的は鉄鋼 / アルミ合金などの図 1 に一般的な自動車の生産から廃車までの流れを示異材間での電食を防止するため絶縁材としての適用であす自動車の生産はプレス工程車体組立工程塗装工る特に欧州自動車メーカーでは中型車以上の車種で程車両組立工程から成る 2 章で述べたように接着剤アルミ合金の部分採用が増加している例えば Mercedes は車体組立工程内で塗布され相手部品と組み合わせてス Benz C クラス Audi A4 などではアルミダイキャスト製ポット溶接された後に次の塗装工程内の乾燥炉の熱量でのフロントサスハウジングを Self-Piercing Rivet SPR な硬化されるこのように車体接着は自動車生産ラインのどの機械接合と接着剤を併用して接合しているフロント流れに従い複数の工程にまたがって施工されるため管サスハウジングをアルミダイキャスト製にすることで高理項目が多岐にわたるとともに外乱因子も多く接着品質剛性化に加えて軽量化や部品点数の削減などに貢献するを確保することが非常に困難である接着剤の観点でみたことができるマルチマテリアル車体に接着剤を適用す生産面での主な課題を以下に示す被着体の表面状態によらず接着できることる第 2 の目的は被着体の熱膨張差によるひずみの吸収に接着剤を利用することであるこの場合接着剤にはプレス工程では車体部品の成型性を確保するためプ伸びが大きいウレタン系の常温硬化接着剤がよく用いられレス潤滑油が使用されるが部品の防錆やコストの面からる軽量材の中でも CFRP などの繊維強化複合材の接合接着時でもプレス部品には脱脂は施されないまた車体では従来の抵抗スポット溶接が適用できずボルトなど部品には様々なめっき種や高張力鋼板などを適用しているの機械締結に頼らざるを得ないが接着をうまく利用するため鋼板の表面状態によらず接着性を確保できること図1 自動車の生産から廃車まで

3 が求められるから避けられることが多い図 4 に各温度での貯蔵日数と塗布後未硬化状態で放置しても吸湿が少ないこと 20 での圧力粘度の関係の一例を示すどの温度でも貯蔵車体に接着剤が塗布された状態で週末を迎えた場合週日数の増加により粘度が上昇していることがわかるし末の数日間の生産ラインが停止している間など接着剤がたがって増粘による塗布性の悪化を防ぐため 30 度を未硬化のままで放置されることがあるこの期間に接着剤超える環境下でも硬化反応が進まないように硬化特性を調が吸湿してしまうと加熱硬化時に水分が気化し接着剤整する必要があるが発泡してしまう場合がある図 2 に吸湿による接着剤の発泡面積率と接着強度との関係の一例を示す 4 接着剤が夏場の高温多湿下で未硬化のまま 3 日放置されると塗布面積の 70 程度が発泡し接着強度が 20 低下することがわかるしたがって塗布後未硬化状態で放置しても吸湿が少ないことが求められる低温短時間で硬化すること塗装工程内の乾燥炉で車体が加熱される際に複雑に組み合わされた車体のフレーム内のような奥まった部位は外板部と比較して温度が上がりにくい図 3 に車体の外部と内部の乾燥炉での温度変化の違いを示す車体の内部は外板部と比較して昇温速度が遅く温度が上がりにくいことがわかるしたがって接着剤が低温短時間で硬化す図4 ることが求められる塗装乾燥炉での加熱硬化後に車体にひずみが残らず接着が破断しないこと 40 Lap shear strength [MPa] 貯蔵日数と粘度変化の関係アルミ合金の線膨張係数は鋼の 3 倍大きい鋼板車体 30 の一部をアルミ合金に置き換えたマルチマテリアル車体の場合熱膨張差による変形で接着層には数 mm オーダー 20 の変形が加わることになる車体に歪が残ることで意匠性が低下するとともに残留応力により接着剤が破断してし 10 まうと接着剤の適用目的を達成することが困難となる Ratio of bubble's area [%] 図2 3.2 性能面での主要課題市場では様々な使用状態かつ世界中の様々な使用環 4 発泡面積率と接着強度との関係一例境にさらされる中で初期性能はもちろん廃車まで接着性能が確保されるように耐久信頼性が求められる接着剤の観点でみた性能面での主な課題を以下に示す初期性能では以下が挙げられる剛性強度と伸びなど複数の要求性能を同時に満足できること車体接着は接合部の剛性や強度耐久性の向上を目的として適用するが使用する接着剤の種類を極力減らし生産管理コストを抑えたいため必要機能を一度に満足する接着剤が求められる図乾燥炉での車体の部位による温度変化の違い貯蔵安定性が高いこと自動車工場は夏場はとても暑い場合が多いしかし接着剤の塗布工程内でペール缶を保冷することはコスト面使用温度範囲での性能変化が小さいこと自動車は炎天下から極寒まで世界中の様々は使用環境に晒される想定される環境下で強度や剛性などの変化が小さいことが求められる同様に耐久性能では以下が挙げられる

4 日本接着学会誌図 Vol. 53 No 車体接着の劣化要因経時劣化が小さいことす荷重負荷直後の曲線がほぼ一致し継手の剛性の変化自動車は様々は環境下で使用されるため接着剤にははないことに加え吸水処理日数が増えるに従い伸びと冷熱の繰り返しや水分よるダメージが与えられるこれに接着強度が低下することがわかるこれら試験片の接着破よる性能の低下が小さい接着剤が求められる経時劣化に面のフーリエ変換赤外分析 FT-IR スペクトルを図 7 についてはさらに詳細な内容を 5 章で述べる示す吸水処理日数が増えるに従い 1,648 cm 付近のピー耐食性に影響がないこと接着剤の適用により追加で防錆ワックスや防水シーク強度が減少し 1,730 cm 付近のピーク強度が増加している車体の構造用接着剤にはウレタン変性エポキシ樹脂ラーのような防錆対策が必要になるとコストや重量が増加等がよく使用されていることから判断してこれらピークすることになるしたがって追加の防錆対策が不要な接強度の変化は図 8 に示すウレタン結合の加水分解あるい着剤が求められるは図 9 示す尿素結合の加水分解によるものと推定される以上接着技術の主要課題を述べてきたがこのすべて以上のことから接着強度の低下は接着界面付近の樹脂を接着剤のみで解決することは困難である実際には自の架橋構造が加水分解によって切断されたことが要因と考動車メーカーで使い方や構造の工夫と並行で適用を進めてえるいく必要がある 4. 市場劣化予測技術の開発ここでは 3.2 章で示した性能面の主な課題のうち項経時劣化に対する我々の取り組みを紹介する図 5 にそこで動的粘弾性測定を用いて架橋密度の変化を評価した結果を図 10 に示す本測定法で架橋密度はガラス転移温度 Tg から 40K 高いところでのゴム状態の貯蔵弾性率 E をゴム弾性理論式に基づく以下の 1 式に適用して算出した車体接着における劣化要因を示す市場では自動車は様々な環境下に暴露されるが接着剤にとって最も厳しい劣化因子は水分である吸水によって物理的変化である膨潤だけでなく化学的変化である加水分解が起こり接着強度の低下を招く耐久信頼性を確保するには物理的化学的に安定な接着剤を開発することに加えて自動車メーカーとして市場での経時劣化を予測して下限値設計を可能にすることが重要であるそこで我々は接着剤の加水分解と接着強度の関係に着目し吸水による経時劣化現象の定量化に取り組んだ液熱硬化型のエポキシ系接着剤を対象に吸水による接着強度および化学結合状態の変化を調べた図 6 に RH で所定日数吸水処理した後常温にて 1 日乾燥させたラップシア試験片の荷重 - 変位曲線の一例を示図6 耐湿試験後における接着強度の変化 7

5 ρ= E 3φRT 1 ρ 架橋密度 mol/m3 E 貯蔵弾性率 Pa ゴム状態での貯蔵弾性率 φ フロント係数 φ=1 R 気体定数 8.31J/ K mol T 温度 K その結果吸水に伴い貯蔵弾性率から算出した架橋密度は半減しており樹脂の架橋構造が加水分解によって切断されていることがわかる上記の吸水劣化を定量化するため 2 式のように 1,648 cm 付近のピーク強度 Ic と 1,730 cm 付近のピーク強度 Ia の比をとり吸水処理をしていない試験片のピーク強度比を減じた値を加水分解度合い Dh と定義した図7 耐湿試験後における接着剤の FT-IR スペクトルの変化 8 図8 加水分解反応の推定 1 ウレタン結合 5 図9 図 10 加水分解反応の推定 2 尿素結合 8 耐湿試験後における接着剤の架橋密度の変化

6 日本接着学会誌 Vol. 53 No. 8 (2017) ( 27 ) 288 I D h = ( c I a ) - ( I c0 I a ) (2) 加水分解度合いと接着強度の関係を整理したグラフを図 11 に示す接着では, 接着端部に応力集中し, そこが破壊の起点となるため, ここでの加水分解度合いは接着破面端部近傍の値を採用した加水分解度合いと接着強度は対数で回帰すると高い相関が見られることがわかるしたがって, 加水分解度合いは劣化指標として用いることができると考える劣化の進展状況を把握するため, 接着継手の加水分解度合いの分布を断面方向から調査した図 12 に測定点の模式図を示す計測点は, 重ね合わせ方向に 0.1 mm の点から等間隔に 5 点, 厚さ方向に被着体 - 接着剤界面からから 0.1,0.2 mm の点と接着剤中央の 5 点の計 25 点としたここで, 分析サンプルは加水分解の進展をできるだけ明確に分析できるよう, 接着厚約 1.2 mm で作製した 80,95 % RH の環境下で吸水処理を行った試験片の加水分解度合いの分布を図 13 に示すここで横軸は, 端部から測定点までの距離 (l) を重ね合わせ長 (L) で除した値としている吸水処理を行った試験片は, 時間の経過とともに加水分解度合いの分布が変化している吸水 1 日後には接着剤端部 (l/l = 0.08,0.92) から加水分解が始まる吸水処理時間の経過に伴い内部へと加水分解が進展し,20 日後には全体が一様に加水分解する吸水 1 日目ですでに接着剤端部での加水分解が始まっていることから, 接着剤内へ水分が拡散するのとほぼ同時に加水分解が起こっていると考えられる劣化指標の妥当性を確認するため, 市場から中古車を回収し, ウェルドボンド接合部位の接着剤の加水分解度合いを調べた結果を図 14 に示すここで, 本来なら横軸は使用環境で整理することが適切であるが, それをトレースすることが困難であるため, 代用指標として車両の生産経過年数を用いた生産経過年数が増えるに従って加水分解度合いが増加しているこの接着剤の場合, 市場 7 年で加水分解度合いは約 0.5 であり, 図 11 から接着強度は 10 % 程度低下すると予測できる 7) 図 11 加水分解度合いと接着強度の関係 6) 図 12 測定点の模式図

289 28 図 13 加水分解度合いの分布 6 ため車体接着の重要性は今後ますます高まることは必至である主要課題のひとつは耐久信頼性の確保であり自動車メーカーとして市場での経時劣化を予測して下限値設計を可能にすることが重要である今回はその一例として接着剤の劣化指標として加水分解度合いを定義することで接着強度と相関をもって市場での経時劣化を予測できることを示した文

7 図 13 加水分解度合いの分布 6 ため車体接着の重要性は今後ますます高まることは必至である主要課題のひとつは耐久信頼性の確保であり自動車メーカーとして市場での経時劣化を予測して下限値設計を可能にすることが重要である今回はその一例として接着剤の劣化指標として加水分解度合いを定義することで接着強度と相関をもって市場での経時劣化を予測できることを示した文図 14 市場での加水分解度合いの変化 5 5. まとめ CO2 排出量の規制に対応するには車体の軽量化は必須であり車体の剛性向上や振動低減に大きな効果がある接着はその鍵となる接合技術であるまた近年のマルチマテリアル車体に対し異材間での電食防止や熱ひずみ吸収の献 1 木村隆之ほかマツダ技報 No.30, p 匂坂享史ほか自動車技術会学術講演会フォーラム 14 FORUM-7, p BMW i3, Euro Car Body, 15th Global Car Body Benchmarking Conference 山本研一ほか M&M 材料力学カンファレンス 2010 p 氷室雄也ほか自動車技術会学術講演会前刷集 No.330, p 氷室雄也ほか自動車技術会論文集, 43, p 氷室雄也ほかマツダ技報 No.30, p 小林敏雄ほか自動車技術会シンポジウム No.53, p

事例2_自動車用材料

事例2_自動車用材料省エネルギーその 1- 自動車用材料 ( 炭素繊維複合材料 ) 1. 調査の目的自動車用材料としての炭素繊維複合材料 (CFRP) は様々な箇所に使用されている炭素繊維複合材料を用いることにより従来と同じ強度安全性を保ちつつ自動車の軽量化が可能となる CFRP 自動車は車体の 17% に炭素繊維複合材料を使用しても従来自動車以上の強度を発揮することができるさらに炭素繊維複合材料を使用することによって機体の重量を低減することができ