自動車用アルミニウム成形法：ホットスタンピング、ハイドロメカニカル深絞り、ギガキャスティング

アルミニウム合金のホットスタンピング

エネルギー不足や環境悪化が、自動車産業に大きな変化をもたらしている。研究によると、車両の総重量を10%削減することで、燃費を6%から8%向上させ、排出ガスを4%削減できることが示されている。 その結果、車両の軽量化は、米国、ドイツ、日本をはじめとする自動車生産国において、主要な研究テーマとなっている。その主なアプローチとして、軽量かつ高強度の材料、構造の最適化、そして先進的な成形プロセスの3つが挙げられる。.

アルミニウム合金は、航空宇宙分野において定評のある軽量材料です。材料コストの低下に伴い、その軽量化メリットから、中・高級燃焼エンジン車や新エネルギー電気自動車において、最も急速に普及が進んでいる軽量材料の一つとなっています。アルミニウムは、冷間成形および熱間成形が可能です。 室温では、延性と成形性が低く、スプリングバックの制御が難しく、寸法精度も不安定である。 高温（一般に200～450°C）では、温度の上昇に伴いシートの成形性が向上し、自動車のボディパネル製造に有利に働きます。そのため、複雑で高強度、高精度が求められるパネルには、多くの場合、熱間成形が採用されます。.

ホットスタンピングは、学術界および産業界において主要な研究分野となっています。ホットスタンピング加工されたアルミニウム製部品は、Aピラー、Bピラー、ボンネット、およびその他の重要な車体部位において、従来の鋼製部品の一部に取って代わっています。 オーストリア・メタル社（Austria Metall AG）は、AA7075アルミニウムをホットスタンピング加工して、BMW i8のクラッシュビームを製造した。ランドローバーL405では、6xxx系アルミニウムとホットスタンピング技術を用いて、2015年時点で最大規模となる一体成型のボディサイドパネルを製造した。 アストン・マーティンは、熱処理、成形、冷間ダイ焼入れ（HFQ）を統合したソリューションを用いて、DB11用の複雑なAピラー補強材を製造した。モーガンは、Aero 8向けに、この手法で成形された初のボンネットにHFQを適用した。 武漢理工大学の研究者らは、摩擦撹拌溶接を施したテーラー溶接ブランクをホットスタンピングし、高い寸法精度と優れた機械的特性を備えた自動車用Bピラーを製造した。.

ハイドロメカニカル深絞り

流体機械式深絞り加工は、高圧の液体が剛性のある金型に代わる、近年開発された板金成形プロセスである。液体の圧力によって板材がパンチに押し付けられ、部品が成形される。この方法は、複雑な形状の部品やアルミニウム合金などの延性の低い材料に適しており、高い成形限界、良好な表面品質、および高い寸法精度を実現する。.

一般的なシステムには、パンチ、ダイ、ブランクホルダー、油圧チャンバー、および油圧リリーフ弁が含まれます。チャンバーに液体を充填し、板材を所定の位置にセットすると、ブランクホルダーがそれをダイに押し付けます。パンチが板材をチャンバー内に押し込むと、リリーフ弁によって調整された圧力により、板材がパンチにしっかりと押し付けられます。 シートとパンチの間に有益な摩擦保持力が生じる一方、シートとダイ間の流体潤滑により摩擦が低減され、表面品質と成形限界が向上します。.

次の図は、従来の深絞り加工と水力機械式深絞り加工を比較したものです。.

[画像プレースホルダー：従来の深絞り加工と水力機械式深絞り加工の比較]

1. 金型コストの削減と生産サイクルの短縮。. 高圧液体がパンチまたはダイのいずれかに代わるため、必要な剛性工具は1つだけで済みます。.
2. 高い寸法精度と良好な表面品質。. フランジと金型の間の流体潤滑により、成形時の傷の発生が大幅に低減されます。.
3. 成形限界値が高い。. 摩擦による保持力、オーバーフロー潤滑、および初期の逆膨れにより、パンチ半径部でのひび割れや、支持されていない部分でのしわが軽減されます。これにより、引抜き比が向上し、成形工程数が減り、コストが削減されます。.
4. 複雑な形状の部品に適しています。. 構造的または幾何学的に複雑な部品も、1回の加工で成形できるため、時間を節約し、材料の有効利用率を向上させることができます。.
5. 厚みがより均一です。. 有益な摩擦保持により、半径方向の引張応力が低減され、均一なシート流れが促進され、薄肉化や応力集中が軽減され、肉厚の均一性が向上する。.
6. 材料費および加工費の削減。. このプロセスにより、材料の消費量と加工コストを削減できます。.

一体型ダイカスト

2020年以降、テスラは一体型ダイカストを採用し、70点以上のリアボディ部品を1つの鋳造品に統合しました。これは従来のプレス加工や溶接に挑むものであり、ボディ製造のあり方を変革するものです。ダイカストは、大量生産において高い生産性、寸法精度、機械的性能、材料利用率、そして優れた経済性を提供します。 一体成形により、複雑なプレス・溶接工程が不要となり、金型の要件や部品ごとの工程検査が削減され、組み立て工程で生じる誤差の累積も回避されます。また、この部品は単一の材料を使用しているため、スクラップを直接再溶解して他の製品に転用することが可能です。.

モデルYは、このプロセスを採用したテスラ初の車両であり、リアアンダーボディは一体鋳造で製造されています。 モデル3と比較して、モデルYでは部品点数を79点削減し、溶接箇所を700～800箇所から50箇所に減らし、製造時間を1～2時間から3～5分に短縮しました。.