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炭素繊維強化プラスチック(CFRP)部品の量産化に向けた

樹脂含浸シミュレーション技術の開発

日産自動車株式会社

生産技術研究開発センター

エキスパートリーダー

水谷 篤2020年9月3日

技術開発の背景

技術開発の背景 ニッサングリーンプログラムの目標は、CO2排出量を2022年までに40％削減、2050年までに90％削減すること

達成のためには、電動化に加えて車両の軽量化技術が必要

各国の 規制 2022年以降、規制はより厳しくなり、2025年以降はEUが最も厳しい

電動化と車両重量

5

現行モデル 次世代モデル

エンジン車 EV

車両

質量

(kg

)

スチール高強度化・構造改善

アルミ化

EV固有部品

アルミ化

性能向上規制対応

エンジンT/Metc.

①衝突試験強化対応

②車外騒音規制強化等

サスペンションブレーキ etc

EV化による増加バッテリー

インバーターモーター

マルチマテリアルCFRP化

エンジン車の燃費向上、電動化によりバッテリー、インバーター、モーターの重量が増加することに対応するため、さらなる軽量化が必要

軽量化と車体マルチマテリアル化

0％

スチール

アルミ

2015 2020 2025

軽量

化率

ｰ30％

ｰ50％

ｰ10％

マルチマテリアル化

高強度スチールやアルミ、CFRPなど、材料の特性に合わせて、複数の材料を車体に適用することで更なる軽量化が可能

の現状課題

軽くて強い炭素繊維強化プラスチック（CFRP※）

直径

髪の毛よりも細い炭素繊維。強度や剛性に優れ、鉄に比べ約50％の軽量化

炭素繊維強化プラスチックCFRPは、炭素繊維を樹脂で固めたもの

出典：炭素繊維協会HP

＜炭素繊維強化プラスチック＞＜炭素繊維＞

＋

炭素繊維の断面写真 炭素繊維のロール樹脂

炭素繊維シート

※CFRP：Carbon fiber reinforced plastic

断面拡大写真

硬化材

CFRP

材料 比重強度

(MPa)比強度

(104m)剛性

(GPa)比剛性

(106m)

スチール 7.8 780 1.0 210 2.7

アルミ 2.7 370 1.4 72 2.7

CFRP 1.5 600-1,600 4.0-10.7 60-120 4.0-8.0

日産におけるCFRP部品の採用例

フロントバンパー

フード

ルーフスポイラー

トランクリッド

リアバンパー

フェンダーシルカバー

GT-R NISMO 2020年モデル

現在は、GT-R NISMOを中心に限定的に採用

CFRP自動車部品への適用の難しさ 課題はコストと生産性。コストは、鉄部品の約10倍

材料の特性上、製造プロセスが複雑で、成形時間が長い

炭素繊維

炭素繊維シート(図はプリプレグ※1）

繊維方向繊維と垂直方向

＜材料の特性＞ ＜製造プロセス＞

炭素繊維

シート

シート

カット

積層

（腑形）成形

※1 プリプレグ：炭素繊維に樹脂を含浸させたシート

積層設計

樹脂

０度方向＋

45度方向＋

-45度方向

直近の約10年で大幅に生産スピードは向上

更なるスピード向上を目指して、成形方法は革新中

成形における生産スピードの革新

RTM工法（Resin Transfer Molding)

約10分 約2分約180－240分

AC工法

(Autoclave)

C-RTM工法（Compression-Resin Transfer Molding)加圧

真空

成形型成形型 成形型

真空 樹脂注入

樹脂炭素繊維

（積層品）

上型

下型

樹脂炭素繊維

（積層品）

上型

下型

隙間

炭素繊維積層品

炭素繊維積層品

成形における技術課題 炭素繊維シートをプレスすると皺や折れ曲がりが発生⇒成形不良の原因

樹脂が固まる前に、製品の末端まで流すことが必要

樹脂が炭素繊維の中を流れながら硬化!平面の炭素繊維織物を、立体的で複雑な部品形状に！

炭素繊維織物

試験形状（センターピラー）

繊維が乱れる

樹脂

の硬

さ（

粘度

）

液体

CFRP製品断面

プレス 固体

時間

樹脂が末端まで流れずに硬化

上側（樹脂注入側）

下側

樹脂の硬化が進む

による成形方法

成形の模式図

炭素繊維織物

における日産独自のシミュレーション開発

C-RTMの成形方法の技術課題 設計要件や材料の種類にあわせ、生産の目標を満足する部品及び金型を製作するためには、

トライアル＆エラーで大幅な開発期間と製作費が必要

従来

開発後

型

設計

型

製作成形

型

修正

型

設計

型

製作成形

製品

評価

シミュレー

ション

＜開発期間の短縮＞

樹脂注入口

真空引きポート

＜部品及び金型設計＞

成形型

材料

・炭素繊維シート種類・樹脂の種類

設計

・炭素繊維シート積層設計

・製品形状，厚み

生産

・成形サイクル・品質

樹脂ビード

成形型

修正成形

製品

評価

型

修正成形

-50%

C-RTMシミュレーションの技術課題 既存のシミュレーションでは、最終充填時の実験結果とシミュレーション結果がアンマチッチ 樹脂が流れない部位（未含浸）の予測が困難

実験結果

シミュレーション結果

樹脂

未含浸

樹脂

未含浸

未含浸

樹脂注入

右図は製品の裏側からみた樹脂の流れの状態

成形型

炭素繊維積層品

樹脂含浸シミュレーション開発 ～摩擦力と樹脂の流れ～ 炭素繊維の上を流れる樹脂の摩擦抵抗を計算条件として考慮

透明金型により、炭素繊維と樹脂の流れの関係を明確化

金属表面の流れ

樹脂注入口

透明金型

炭素繊維上の流れ

成形型

樹脂炭素繊維

（積層品）

上型

下型

隙間

※真上から撮影

樹脂と接する金型内と炭素繊維積層品の流れに注目

120

122

124

126

128

130

0 5 10 15 20 25 30 35

型内

セン

サー

温度

（℃

）

成形時間（sec）

樹脂含浸シミュレーション開発（樹脂の温度変化に着目）

樹脂含浸係数繊維の中を進む樹脂の流れ易さの係数

流れ易い

流れ難い

ｋ

炭素繊維（積層品）

樹脂の流れにともなう温度変化を測定し、金型内の見えない樹脂の流れを可視化

繊維の厚みに応じた含浸係数ロジックを算出

樹脂

温度変化による樹脂の流れ時間を計測

金型温度 120℃樹脂温度 80℃

温度センサー実験金型

温度センサー

従来のVf※1のみ

板厚を追加

Z方向

X-Y方向

※1 Vf繊維密度：部品重量あたりの炭素繊維の含有率

樹脂含浸シミュレーションの成果 シミュレーション精度が向上

本シミュレーションにより、ゲートや樹脂ビードの形状を見直し、性能を満足する部品を開発

実験結果

シミュレーション結果

＜実験とシミュレーションの結果＞ ＜本シミュレーションによる部品開発＞

実部品

樹脂ビード形状変更

樹脂ビード

製品コーナR形状変更

センター ピラーレインフォース

上側

下側

開発前 開発後

A’

A

断面A-A'

未含浸部位

Thank you