二氧化碳的增加是全球变暖的主要原因。日本每年排放11亿3800万吨的CO2。从各行业的CO2的排放情况分析，运输行业是仅次于产业部门，CO2的排放量约占整体的20%。
在日常生活中不可缺少的汽车、公共汽车、铁路、飞机等中，为了削减CO2排放量，提高燃油效率，车辆轻量化是不可避开的课题之一。
日本新能源产业的技术综合开发机构(NEDO)以开发钢板、铝材、钛材料、镁材料、碳纤维复合材料等的革新性新材料，并实现车体的轻量化为目标，主持的革新性新构造材料等研究开发项目。
不仅如此，在经常仅用单一材料制作的车辆的结构体上，开发了将以上这些材料适当地组合起来的材料多元化技术及为了获得高可靠性的评估技术，并致力于将这些技术推向实用化。为了实现车体重量的轻量化，很多企业和大学参加了本项目的开发工作。
2. 轻量化技术
2.1 材料技术
名古屋大学国家复合材料中心（NCC）负责本项目的碳纤维复合材料的材料及成型技术的研发。为了从根本上解决轻量化问题，开发了碳纤维和热塑性树脂混炼高速成型技术——LFT-DE工艺。
使用该工艺，使从材料供给到零件成型的一贯自动生产为可能，实现了轻量化和成本降低。
该系统以可成型实车尺寸零件的3500吨冲压机为中心，由碳纤维和热塑性树脂颗粒混炼的双螺杆挤出机、输送路径和用于资材或零部件等移送或搬运的工业机器人构成。
LFTD工法与至今为止的传统的CFRP成型法相比，不需要中间基材和辅材，成型时间短至1~2分钟，是一项可完成年产10台批量生产的技术。
其中需要注意是纤维长度和纤维取向不均匀、强度低的问题，NCC通过成型工艺和安装系统的改进，实现了作为结构构件所需的目标。不仅如此，所使用的热塑性树脂可回收循环利用。
2.2 接合技术
本项目的接合技术由大阪大学接合科学研究所负责开发，所使用的装置是可进行异种材料接合的中心驱动双面线性摩擦接合装置。通过使中间的材料上下振动，可同时接合三种材料。
对应该在低温下接合的铝施加高压力，对应该在高温下接合的钢施加低压力，并不断变化两者的温度，实现同时接合3种材料的工艺。像钢铁材料和钛合金这样熔点比较高的材料在摩擦焊接(FSW)的时候，工具的寿命会成为问题，为了解决这个问题，开发了让材料之间直接摩擦接合的方法。通过控制两侧推压的力，可以精确控制温度。
本装置是将肩部和探针分开驱动的双动式工具配置在材料的上下并接合的最新FSW装置。这样，不仅可以实现普通的FSW，还可以实现光点FSW、双动式FSW、双面FSW、再填充FSW、平面FSW等各种FSW的功能。
同时该装置使用两个高亮度X射线三维可视化这些不同FSW工艺中的流动。
2.3 部品试制
为了实现使用了高强度钢板的多材料车体，克服了以往的焊接引起的裂纹和接头特性降低等课题。此外，为了构筑有望实用化的接合技术，开发了能够实现高速、高效率接合的FSW技术。这是为了高强度钢板的高速接合而开发的双面FSW工艺，它具有从两面用旋转工具摩擦搅拌接合部的功能，可以使接合部在表面和背面均热化，促进塑性流动。与传统的FSW工艺相比，双面FSW可以实现显著的高速接合。
双面FSW工艺将推动使用1.5GPa以上的超高强度，将板厚和材质不同的多个钢板在冲压成形前焊接成1片坯料的制造。
2.4 分析技术
为了提高燃油效率，必须实现汽车等运输工具的车体重量轻量化，开发拉伸强度1.5GPa级的新型高强度钢是很重要的。但是，为了将这些新型高强度钢广泛地实现产业化应用，就必须抑制氢脆等脆性破坏。
本项目开发中，把氢脆性作为主要的研究对象，为了进行对裂缝传播形态进行三维解析等，开发了材料可靠性评估的分析解析技术。
2.5 材料多元化CAE
在本次项目中，以京都大学为中心，以提出高性能、轻量的多材质车体设计方案为目的，进行多材质拓扑优化的方法论及系统的开发。
首先，构筑多材质拓扑最佳设计法，将其作为系统总结，致力于导出车辆整体的设计方案。并且，根据这个结果实际导出车身设计方案，并且使碰撞等性能评估也成为可能。最终将以此为基础，提出实用的多材质车身设计方案。
3. 结束语
通过将不同材料进行接合，利用CAE成功地进行了新的结构设计和材料多元化的制作。今后，计划将这些成果进行分享给不同的机构，建立数据存档和数据库，并最终开发未来的新材料。
作者
方鲲1 刘康2 蔡淼3 张旭峰3 徐坚4
1.北京纳盛通新材料科技有限责任公司
2.北京碳复科技有限公司
3. 长盛（廊坊）科技有限公司
4. 深圳大学
