DIE NEUE FREUDE AM FAHREN:

BEGEISTERND, ÖKONOMISCH, BEGEHRENSWERT

オートデスク主催

「自動車軽量化のための複合材料の活用と未来」セミナー

自動車軽量化のための次世代材料の活用と未来

April. 21, 2015

山根 健 山根健オフィス （BMW Japan Corp. Project i 技術顧問）

1.1現代の自動車に課されたさまざまな課題 衝突安全性能試験

フルラップ前面衝突試験 オフセット前面衝突試験 側面衝突試験

後面衝突頚部保護性能試験

歩行者頭部保護性能試験

Page 2 2

1-2 今後、自動車台数はどうなるか？ 世界の自動車保有台数・国別シェア

3

1-2 今後、自動車台数はどうなるか？ 世界の自動車保有台数推移

4

1-2. 背反する要求への対応が求められている

さまざまな規制や課題を高度に達成することが求められている

排出ガス EU II / EU III / EU IV /

TLEV / LEV / ULEV /

SULEV

燃費

Gas Guzzler Tax

Japan LEV 2000

ACEA - Zusage

Page 5 5

2. CO2排出規制動向

Page 6 量産型電気自動車への炭素繊維材料の適用 BMW Corp. Japan, Oct. 2013 6

2-1. BMW開発目標 (先ずパワートレインから) Efficient Dynamics

7

fuel economy

weight

power

Efficient

dynamics

2-2 CO2の削減 さまざまな技術の導入

8

2-2. CO2の削減 CO2削減アプローチ

Improvement of existing powertrain technologies

Vehicle Measures

Hydrogen Energy Management, Electrification of the powertrain

9

2-3 軽量化アプローチ

10

Page 11

１．次世代自動車への課題

２．ＣＯ２削減のための技術

３．電気自動車の役割と課題

3-1 ＢＭＷにおける電気自動車の開発

3-2 電気自動車の現状と問題点

講演内容

3．

12

1970

2010

1972: BMW 1602

鉛バッテリー

1993： BMW E1 NaSバッテリー

2003：X5 アクティブハイブリッド スーパーキャパシター搭載

バッテリー電気自動車

ハイブリッド電気自動車

1995：316i シリーズハイブリッド NaNiCLバッテリー搭載

1994: 518i パラレルハイブリッド NiMHバッテリー搭載

1987: BMW 325 NaSバッテリー

1992: BMW 325 NaNiClバッテリー

1996: BMW 325 NaNiClバッテリー

2010: アクティブハイブリッドX6 アクティブハイブリッド7

2008: MINI E

リチウムイオンバッテリー

2010: BMW

アクティブE

3-1．40年にわたり電気自動車ノウハウを 培ってきたBMWグループ

13

New York USA

Mexico City Mexico

London UK

Tokyo Japan

Los Angeles USA

Shanghai China

Barcelona Spain

Paris France

3-1 大規模な市場試験 Megacity Vehicle Analysis and Market Research.

14

3-1 MINI EとActive EはBMW i3へのステップ 機能性と顧客の利便性

F

un

cti

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ali

ty a

nd

cu

sto

me

r b

en

efi

ts.

MINI E

BMW ActiveE

11/2010 07/2012

BMW i3

2013 末～ (2014-)

Page 15

3-2 量産電気自動車の基本コンセプト

改造型電気自動車の重量問題

MINI E

MINI

Cooper We

igh

t 車体改造による 重量増

(特に安全関係).

電気駆動システム 関連 重量増

（エンジン関連重量を

除いたのちの重量増）

16

3-2 量産電気自動車の基本コンセプト

専用開発電気自動車の重量課題

Ｎ

専用車体では「改造」による重量増はない.

We

igh

t

アルミシャシーと CFRPボディによる

LifeDriveコンセプト による軽量化

内燃機関搭載の 比較車両

MCV 電気自動車

電気駆動システム関連 重量増

（エンジン関連重量を 除いたのちの重量増）

17

3-2 量産電気自動車の基本コンセプト 専用開発電気自動車の構成

18

4-1 ＢＭＷにおける材料開発の取り組み

自動車用材料への要求項目

19

4-2 ＢＭＷにおける材料開発事例 樹脂製エンジンカバーと吸気マニフォールド

4-2 ＢＭＷにおける材料開発事例 樹脂製吸気マニフォールド

複雑な形状を形成するためさまざまなモールディング法や接着法が導入された。

吸気マニフォールドの樹脂化はさまざまなメリットがあり、BMWは早くから樹脂化に取り組んできた。

4-3 樹脂製車体を用いた市販自動車例 ロータス・エリート(1957～1963) ブリストル飛行機に外注されたFRPモノコックボディ

585kg、76馬力

4-3 樹脂製車体を用いた市販自動車例 BMW Z1(1989～1991)

樹脂製ボディ（熱可塑、GFRPなど、特別な柔軟性を持つ塗料を使用。

GFRPフロアは接着+ボルトで鋼製シャシーと一体化している。

4-3 樹脂製車体を用いた市販自動車例 ナノ材料技術 マイクロ波接合

BMW 6シリーズ用SMCトランクリッド

接着剤と磁性体のナノ粒子が混入された接着部位

•接着部位と非接着部位を選択的に照射

•硬化を加速できる

•非金属

24

4-3 樹脂製車体を用いた市販自動車例 ナノ材料技術 自己補修材料

ポリマー複合材による

自己補修

White 他、Nature 409(2001)

(a) カプセルに納められた自己補修材と硬化剤がコンポジット内に分散されている。

(b) コンポジットにクラック等が生じると、クラックによりミクロカプセルが破れ、自己補修材がクラック内に充満する。

(c) 自己補修材は硬化剤に触れることにより硬化し、クラックは補修される。

25

5-1 BMWの炭素繊維ボディ開発 F1用モノコック(1981年McLaren MP4-1)

26

5-1 BMWの炭素繊維ボディ開発 F1用モノコックの必要強度

27

5-1 BMWの炭素繊維ボディ開発 航空機へのCFRP適用

CFRPや、他の金属等とCFRPをサンドイッチ構造にした部材が、ボーイング787の表面の大半を占めている。重量比では、約50％がCFRPだ。（月刊アスキー 2007年11月号掲載記事）

28

5-1 BMWの炭素繊維ボディ開発 量産車適用開発アプローチ

29

5-2 BMWの炭素繊維ボディ設計

Life Module（CFRPモノコック)

30

5-2 BMWの炭素繊維ボディ設計 量産用材料としてのCFRP構造材構成手法-基本形状

モノコック構造

中空形状

ハイブリッド構成

一定板厚の成型部材をフランジ部で接着

網目織物製法による成型

金属板材への局部または全部へのCFRPシートの 接着

利点: 自動化が容易で大量生産に向いている。

利点: モノコック構造よりも繊維方向の最適化が可能

利点: 車体の必要な部位を効率よく補強できる

31

5-2 BMWの炭素繊維ボディ設計

織物の構成と用法

3K fibres Weave (exterior)

50K fibres

Mesh and mat (structural)

32

5-2 BMWの炭素繊維ボディ設計

CFRP成型試験

33

5-2 BMWの炭素繊維ボディ設計 構造材料としてのCFRP CFRPは積層等により自然界の材料に近づきうる。

s

270

60

30

0

330

150

120

180

210

90

300

240

60

40

20

0o

0o

-45o

45o

-45o

45o

Sheets, profiles - Isotropic Homogeneous

Steel, aluminium Laminates: stacking of individual layers - Single layer: anisotropic (orthotropic) - Laminate: inhomogeneous

CFRP

34

5-2 BMWの炭素繊維ボディ設計 採用事例

Steel

CFRP

1

2

1

2

1

1

2

ハイブリッド構成: Hydrogen 7(水素自動車)のサイドフレーム

- 極少量生産時の低コスト手法.

- CFRP形状の自由度が高い.

- 鋼製に対し52 % の軽量化が実現.

- 製造ラインの僅かな変更で済む.

35

生産規模

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス 量産車へのCFRP適用の先駆けを担う.

量産化への課題:

材料コストの低減.

生産サイクルタイムの短縮．

工場関連技術．

Automotive

第三世代

大量生産.

航空機

第二世代

少量生産.

自動車レース車

第一世代生産.

36

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス 生産プロセス全体への関与

Preform cutting (stamping tool)

Manufacture (of several individual

preforms)

Resin injection (RTM)

Processing (CNC/water jet)

Fibre (spool)

Fabric (on rolls)

Precursor (PAN, spool)

Oxidation Carbonisation

Surface treatment Bonding agent

Recycling (mat) Dry fibres

Stacking (layer build-up of component)

織物

Preforming (shaping)

Moses Lake, USA Wackersdorf, Germany Landshut/Leipzig, Germany

SG

L A

CFとの

ジョイントベンチャー

B

MW

予備成型

部品製作 (RTM- process)

繊維

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5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス 素材の物流

米国ワシントン州モーゼスレイク市 BMW Group, SGLの炭素繊維JV

同市の水力発電所

ライプチッヒ

ランズフート ディンゴルフィン

ヴァッカースドーフ

ミュンヘン

三菱レイヨン製 プリカーサー

糸状の炭素繊維

38

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス 炭素織物(Mat)の形成

39

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス 炭素繊維織物

40

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス 成型工程

Material input

1 2 3

2 3

RTM-process

Preforming 1

Sequence of an industrialised CFRP process chain:

- Semi-automated production.

Milling

Automatic component handling Assembly

Tempering

Diagram of hall layout

Insertion of preform

Removal of component Milling

Painting

41

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス 予備成型

42

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス 持続可能な生産システム

材料サイクルの完結. 炭素繊維の製造時廃材のリサイクル.

ドライ切り落とし材

繊維の用意 不織布の生産 不織布積層材の生産

CFRPリサイクル半製品をCFRP生産工程または車両生産工程に戻す.

-

-

-

-

-

-

-

端材/不織布

プリフォーム時切り落とし材

材料の圧縮/切断.

材料のばらし.

不織布の形成: 繊維の方向を整える.

固定と安定化.

不織布を多層部材への装入.

43

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス リサイクル炭素繊維を用いた織物 （強度要求レベルが低い部位に使用)

44

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス 持続可能な生産システム

シート状の炭素繊維 RTM工法による部品の生産 部品を接着して組立てられたサイドパネル

ロボットによるCFRPパネルの接着工法 完成したLifeModule Life ModuleとDrive Moduleは ボルト4本と接着剤接合

45

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス サイドパネルの組み立て（接着）

46

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス モノコック組み立て

47

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス

モノコック接着

48

Primary aluminium produced

with renewable energy

5 kg CO2e

Conventional

primary aluminium

10 kg CO2e

Secondary aluminium

2 kg CO2e

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス アルミの80% がリサイクルおよび再生可能エネルギーを使用

二次アルミ 再生可能エネルギー による一次アルミ

通常のアルミ

– 70% water – 50% energy 100%

renewable energy

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス

BMWライプチッヒ工場は業界のベンチマーク

使用エネルギー量 -50％

使用水量 -70％

100%再生可能

エネルギー

Precursor

Sourcing

Moses Lake

Joint venture SGL ACF

Wackersdorf Carbon fibre Fabric CFRP components

BMW production network

Landshut and Leipzig

5-3 BMWの炭素繊維ボディ製造プロセス CFRP 製造に要するCO2 排出量は通常より50%減

三菱レイヨン製 プリカーサー調達

SGL 社との合弁会社における

炭素繊維および不織布（マット）の製造

BMWによるCFRP製

コンポーネンツ生産

Japan

5-4 BMW i 3（ i 8）の紹介.

BMW i3内部構成

52

5-4 BMW i 3（ i 8）の紹介. 全長3999mm、

ホイールベース2570mm。

車両重量1195kg

最高出力：125kW

最大トルク：250Nm

53

5-4 BMW i 3（ i 8）の紹介 メガシティ・ヴィークルにふさわしい構成

54

5-4 BMW i 3（ i 8）の紹介 持続可能材料の使用

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BMW i 最も進化したスポーツ・カー 「BMW i8 CONCEPT」

システム最高出力/最大トルク 260 kW / 550 Nm

エンジン最高出力/最大トルク 164 kW / 300 Nm

電気モーター出力/トルク 96 kW / 250 Nm

eDrive航続距離 約35 km

バッテリー充電時間 （普通充電） 1時間45分（100%)

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BMW i3製造工程を紹介した動画が公開されています。

• BMW i3 Production Video Seriesが4部構成で紹介されています。以下のリンクからご覧になれます。

• http://bmwi3.blogspot.jp/2013/09/bmw-i3-production-video-

series.html

• ご参考まで、Part1のダイレクトリンクは：

• www.youtube.com/watch?v=gt1k3BLN7pw

57

• ご清聴ありがとうございます

Freude am Fahren

58