自動車構造部品のための革新的なプラスチック材料

現代の自動車では、プラスチックは車重の約15-20%を占めるが、体積の50%を占めることもある。 ^[1]. .自動車産業におけるプラスチックの用途は、自動車メーカーによる軽量化の推進によって、年々増加し続けている。.

自動車の軽量化は燃費向上に役立つ。新エネルギー車（NEV）へのシフトに伴い、軽量化は航続距離不安を鎮める鍵となる。2030年までに車両重量の30%を占めると予測されている。現代の自動車は、外部構造部品と内部構造部品の両方にプラスチックを使用している。その結果、自動車用材料の分類は、その用途に基づいて以下のようになる；;

• 自動車外装部品用プラスチック材料： 美的にも機能的にも重要な役割を果たす。その場所柄、耐候性（耐紫外線性など）、高い衝撃強度、望ましい外観が求められる。プラスチック製の外装部品の例としては、グリル、バンパー、スポイラー、ドアハンドルなどがある。.
• 内装部品用プラスチック： 自動車の内装に使用されるプラスチックは、装飾的または機能的な役割を果たすこともある。室内空気の質にとって重要な揮発性有機化合物が少ないことが期待されている。 ^[2]. .内装部品に使われる自動車用プラスチック材料のその他の重要な特性には、快適性と耐傷性がある。例えば、ドアパネル、ダッシュボード、センターコンソール、吹き出し口などである。.
• 自動車構造部品用プラスチック材料： アンダー・ザ・フード・プラスチックとも呼ばれる。過酷な環境で使用されるため、その主な特性は高い耐薬品性、耐熱性、耐摩耗性である。エアインテークマニホールドやエンジンカバーなどは、プラスチック製のボンネット下部品の一例である。.  

自動車外装部品の設計と材料に関する考察

自動車用射出成形材料を使用した自動車外装部品の設計は、作業効率、美観、長期的な実行可能性のバランスを取る必要がある。設計者は、品質向上とコスト削減のために、標準化、連続化、共同化を考慮しなければならない。.

• 標準化： 標準的な既製部品を使用したり、業界標準の寸法にこだわることで、設計時間を短縮し、互換性を向上させます。.
• 連載： 同じ基本設計を使用して異なるサイズや能力を生産することで、規模の経済性が向上する。.
• 共同体化： 異なる車種間で同じドアハンドルのような同じ部品を使用することで、複雑さが軽減され、メンテナンスが容易になる。.

合理性、先進性、メンテナンスのしやすさ、信頼性、経済性、製造可能性といった工学的原則も、部品が費用対効果に優れ、耐久性があり、機能的であることを保証するために考慮されなければならない。.

自動車部品製造にプラスチックが使われる理由

自動車構造部品へのプラスチック材料の使用の増加には、いくつかの重要な要因が影響している。軽量化はそれらの要因の最上位にある。軽量化を実現することで、自動車の燃費が向上している。車が軽ければ軽いほど、移動に必要なエネルギー量は少なくなる。その他、自動車部品にプラスチックが使われる要因には、以下のようなものがある：

• 安全性への懸念： 自動車の新素材は、衝突時のエネルギーをよりよく吸収し、再分配するように設計されている。例えば、柔らかいバンパー素材は、硬いバンパーに比べて低衝撃の衝突における傷害リスクを低減する。.
• 騒音と振動の抑制： プラスチックは振動を吸収するため、騒音抑制に役立つ。プラスチックを使えば、自動車メーカーは同じ効果を得るために消音材を使用することで生じる余分な重量を省くことができる。これにより、運転がより静かで快適になる。.
• 美学とデザインの柔軟性： プラスチックは精密成形技術によって複雑な形状に成形することができる。その結果、自動車メーカーは複雑で美しいデザインを柔軟に作ることができ、コストのかかる二次加工が不要になります。.
• 耐候性： 多くの自動車用新素材は、耐腐食性、耐薬品性、耐紫外線性、耐錆性、極端な温度などの特性を向上させるように設計されている。こうした特性の向上により、実際の用途における耐久性が向上する。.
• 環境への影響と持続可能性： 自動車産業の焦点は持続可能性へとシフトしている。リサイクル・プラスチックはリサイクルが容易なため、自動車部品への採用が進んでいる。また、プラスチックの製造工程は通常、金属製造に比べてエネルギー消費が少ない。.

一般的な自動車外装部品の材料要件

安全規制、過酷な環境暴露、製造効率、美的要求の組み合わせは、自動車外装部品に使用される材料の選択に影響を与える。例えば、自動車外装部品は、紫外線、極端な温度、化学薬品への暴露などの環境要因にさらされます。.

外装部品は環境要因のほかに、摩耗や衝撃などの機械的要因にもさらされる。そのため、自動車のライフサイクルを通じて形状を維持し、構造的な負荷に耐える自動車用材料を使用する必要がある。.

バンパーの材料要件

最近の自動車バンパーは、カメラやセンサーなどの電子部品を組み込んだ複雑な構造になっている。さらに、規制上の安全要件を満たすことも期待されている。そのため、バンパー用自動車材料は、衝撃吸収性、耐久性、構造強度、費用対効果のバランスが求められる。.

射出成形バンパーの外殻によく使われる主な材料はポリプロピレンである。ポリプロピレンは軽量で柔軟性があり、衝撃や化学薬品に強いため好まれる。剛性と耐衝撃性を向上させるために、熱可塑性オレフィン（TPO）などの充填材やゴムで改質されることが多い。.

プレミアム車や高級車のバンパーは通常、PC+ABSブレンドから作られている。この材料のハイブリッドは、純粋なPPと比較して、優れた頭部安定性、靭性、表面品質を提供します。推奨される表面処理は、バンパーの素材によって異なる。.

自動車ライト用プラスチック材料

自動車照明用射出成形材料は、優れた熱安定性、高い光学透明性、耐候性、耐衝撃性を兼ね備えていなければなりません。現代の自動車用照明は、設計の柔軟性と軽量化のために、ほとんどが特殊な熱可塑性プラスチックで作られています。.

様々な自動車用照明部品に対する要求は異なる。例えば、レンズには高い光透過率、紫外線安定性、耐衝撃性、耐薬品性が求められる。ヘッドライトやフォグランプの材料は、高い熱負荷（100℃～190℃）に耐えなければならない。一方、テールライトには、以下のような自動車用プラスチック材料が要求される。 高い成形性 複雑な形状の場合。.

表面処理は自動車用照明の重要な部分である。処理によってプラスチック部品の性能や寿命が向上します。以下は、さまざまな自動車用照明部品の一般的な処理です。.

• UV耐性コーティング： PC用ヘッドライトには、太陽光照射による劣化を防ぐために、この処理が義務付けられている。.
• 耐傷性コーティング： PCにハードコーティングを施し、路面のゴミや洗車傷に対する耐性を高める。.
• 真空メタライジング： この処理は、リフレクターに施され、反射性を高める。.
• 疎水性コーティング： アンチフォグコーティングが水をはじき、濡れた路面での視認性を高める。.

自動車用グリルの材料要件

グリルは審美的かつ機能的な役割を果たす。そのため、グリル製造用の自動車用プラスチック材料は、耐久性と美観のバランスを取る必要がある。なぜなら、グリルは常に過酷な環境条件、路面の破片、エンジンの熱にさらされているからだ。.

その他、寸法安定性、良好な表面仕上げ、耐紫外線性、軽量性など、自動車用グリル素材に求められる品質は多岐にわたる。グリル用として最も一般的な材料はABSである。高い耐衝撃性、剛性、複雑な形状の成形のしやすさなどから好まれている。.

アクリロニトリル・スチレン・アクリレート（ASA）は、ABSに代わる優れた素材です。黒色で質感のあるグリルは、コスト効率が高く、130℃までの耐熱性があるため、ほとんどがPP製です。一般的な表面処理には、電気メッキ、塗装、UVコーティング、テクスチャリング、プラズマ処理などがあります。正確な表面処理は、素材とメーカーが実現したいことによります。.

ホイールハウジングライナー用自動車材料

スプラッシュシールドまたはインナーフェンダーライナーは、エンジン、ボディ、および構造部品を破片や湿気から保護するように設計されています。スプラッシュ・シールドは過酷な環境ストレスにさらされ、路面の破片によって常に摩耗しています。.

ホイールハウジングライナー用の自動車用射出成形材料は、高い耐衝撃性、耐腐食性、温度安定性、耐薬品性、耐久性、騒音低減への貢献が期待されている。.

ホイールハウジングライナー用の自動車用プラスチック材料の表面処理は、予防、強化、補修のいずれかの目的で行われる。.

• 紫外線安定化コーティング： 長時間の日焼けによるひび割れ、色あせ、もろさを防ぐ。.
• 疎水性コーティング： くすんだプラスチックを若返らせる。.
• 接着剤コーティング： 主にフェルトのリア側に使用し、隙間ができないようにホイールハウジングにしっかりと密着させる。.

ホイールカバー用自動車材料

ホイールカバーは常に路面のゴミや、熱、路面塩、太陽からの紫外線などの環境要因にさらされている。そのため、ホイールカバーに使用される自動車用プラスチック材料には、高い耐久性と耐衝撃性、耐腐食性が求められます。.

一般的に使用されている素材はABSだ。コストパフォーマンスに優れ、軽量で耐腐食性に優れています。ポリカーボネートは耐衝撃性に優れているため、厳しい気象条件やオフロード用途に最適です。.

ラジエーターグリル用自動車用プラスチック材料

ラジエーターグリルは、ラジエーターを保護すると同時に、エンジン冷却のための空気取り入れを可能にするという2つの役割を果たします。ラジエーターグリルの素材としては、ABSとカーボンファイバーが推奨されている。これらは軽量で、環境ストレスに強い。.

ABSラジエーターグリルは通常、美観を向上させ、光沢のある仕上がりにするためにクロームメッキが施される。紫外線によるひび割れ、黄変、劣化を防ぐために、UVインヒビター・コーティングも一般的な処理である。.

ライセンス・プレートの素材推奨と研磨

ナンバープレートのデザインは、自動化された交通カメラへの対応を含め、厳格な工学的・法的基準を満たさなければならない。これには、夜間の視認性、可読性、耐久性の確保も含まれる。ヘッドライトによる視認性については、標準的な再帰反射係数（ASTM E-810）を満たす必要があります。 ^[3].

ガラスの250倍の強度を持つポリカーボネートは、過酷な環境に対応する自動車用プラスチックとして推奨されています。アクリルは光沢が高く、色の鮮やかさに優れているため、カスタムプレートやショープレートによく使用される。しかし、耐久性はポリカーボネートに劣ります。自動車用PC素材のナンバープレートへの一般的な表面処理には、以下のようなものがある：

• 透明な保護コーティング： 黄変や色あせを防ぐ、透明で耐候性のあるトップコート。.
• 箔押し： エンボス加工された文字を読みやすくするために着色する。.
• UV安定コーティング： 紫外線による黄変を防ぐ。.

ドアシル 自動車材料の推奨と処理

ドア枠の下にある重要な水平部品である。さらに、構造の完全性を支え、水や空気の浸入を防ぎます。また、人通りの多い場所での使用も想定されている。そのため、理想的な素材には耐湿性と耐腐朽性が求められます。.

木質繊維とプラスチックの複合材は腐りにくく、湿気の多い場所にも適しています。パウダー・コーティングは、色あせや傷に強く、色をカスタマイズした仕上げにするためによく使われる一般的な処理です。安全性を高めるために、テクスチャー加工や溝加工を施すこともできる。.

サイドモール 自動車材料の推奨と処理

他のすべての外装部品と同様に、ボディサイド・モールの素材は、耐候性、耐薬品性、耐衝撃性に優れ、接着適合性に優れていなければなりません。ABSが最も一般的な選択です。しかし、ポリウレタン（PU）、TPO、PPはそれぞれ、高衝撃ゾーン、優れた艶消し黒仕上げの実現、費用対効果のために広く使用されています。. 

素材によっては、クロムメッキ、UV安定塗装、クリア塗装などの処理が施される。例えば、ABSには通常クロムメッキが施され、光沢のある高級感を演出します。.

一般的な自動車内装部品の材料要件

自動車構造部品の内装材を選択する際、通常、快適性と安全性が最大の関心事となる。例えば、材料は低揮発性化合物の排出（FMVSS 302）に適合し、難燃性でなければならない。 ^[4]. .また、キャビンの快適性を向上させるために、表面の仕上げを良くする必要がある。.

内装部品によく使われる自動車用射出成形材料には、PP、ABS、PC+ABSブレンド、TPE、ポリ塩化ビニル、PUなどがある。これらの材料にはそれぞれ長所と短所があり、それが使用法に影響を及ぼしている。.

インストルメント・パネル 素材の推奨と処理

インストルメントパネルは、高い構造的完全性、安全規制への適合、そして美的魅力が求められます。最近の高級車のインストルメント・パネルは、ソフトタッチの構造を採用していることが多い。エコノミータイプでは通常、硬質射出成形構造となっている。.

適切な材料は、熱安定性が高く、エアバッグのような重い部品を支える機械的強度があり、衝撃吸収性があり、美観に優れていることが期待される。リジッドパネルによく使われる自動車用プラスチック材料はPP+Talc/EPDMである。コスト効率が高く、剛性にも優れています。その他の材料としては、より強度の高いPC/ABSや、剛性の高い構造用長尺ガラス繊維強化ポリプロピレンなどがあります。.

ソフトタッチな表面は通常、以下のカバー材のいずれかを使用して実現される：PVC、TPO、PU。プラスチックを塗装または接着可能な状態にするために、プラズマ処理が一般的に使用される。紫外線による劣化や退色を防ぐため、UV保護クリアコートを塗布する。PP製のインストルメント・パネルには、ホコリの吸着を抑えるために帯電防止コーティングが必要な場合がある。.

ドアパネルおよびピラートリム用自動車材料

ドアパネルの基材やコアは、低コスト、低密度、高成形性などの有利な特性から、強化PPで作ることができる。ABSや天然繊維複合材料（NFC）も軽量化のために使用できる。ハニカムベースのプラスチックは、剛性対重量比が高く、音響特性に優れているため、注目されている新しい自動車材料である。.

ピラートリムは主に自動車用射出成形材料、ABS、PC+ABS、PPから作られる。トリムの後ろにあるエネルギー吸収構造は、通常ポリウレタンフォームで作られています。.

ソフトタッチコーティングは、硬質プラスチックに施される最も一般的な処理で、ソフトな感触を与え、インテリアの高級感を向上させる。ピラートリムには、ブラッシュドアルミニウムやカーボンファイバー風の装飾インレイが施されている。.

インテリア・ハンドルの素材推奨と処理

内部ハンドルは、機能性、耐久性、美観のバランスがとれていなければならない。通常は、仕上げの品質と構造的完全性を失うことなく、高頻度の日常使用に耐える素材で作られる。ABS、PC+ABS、ガラス繊維強化PP、PMMA、TPOが、インテリア・ハンドルの製造に使われる一般的な素材です。処理には以下が含まれる：

• 電気メッキ： 耐摩耗性の高いメタリック反射仕上げ
• 絵画： ABSまたはPC+ABS材料は、特定のテクスチャーを得るために塗装される。.
• コーティング： ハードシェルを柔軟性のある特殊なゴムのような被膜で覆い、高級感を演出。.
• プラズマ表面処理： 印刷や塗装の表面接着性を高めるために塗布する。.

ステアリング・ホイール用自動車材料と処理

 現代の自動車は、美観、安全性、耐久性、人間工学のバランスが取れた複雑なステアリングホイールを採用している。ステアリング・ホイールの素材要件は厳しい。理想的なのは、丈夫で軽量な金属製の骨格を柔らかいプラスチック製のパッドで囲み、耐久性のあるカバーで仕上げることです。.

表面下の自動車用射出成形材料はポリウレタン・フォームである。耐久性に優れ、特定の質感、密度、色に簡単にカスタマイズできます。インモールド・コーティングは、PUフォームに施される主な処理で、均一でマットな表面を作り出します。また、塗装の必要もありません。.

推奨センターコンソールアームレスト素材と処理

この自動車部品は、インテリアの美観、快適性、人間工学のギャップを埋める。長期間の物理的接触に耐える。したがって、適切な素材が持つべき重要な特性は、耐久性と耐摩耗性である。また、油や汚れにも強くなければならない。.

自動車用構造ベースとして推奨される素材はABS樹脂です。パッドは体圧分散性を高めるため、発泡ポリプロピレンまたはメモリーフォームを使用。アウターカバーはPUレザーまたはマイクロファイバーレザーを使用。ソフトで高級感のある外観と感触が得られます。.

合成皮革を使用した場合は、ひび割れや色あせを防ぐためにUVカット加工を施すことが重要です。ナノセラミックコーティングはしばしばレザーに施され、疎水性で汚れにくい層を作ります。これは柔らかさを保ち、液体が転がり落ちることを可能にする。.

一般的な自動車機能部品の材料要件

これらは、自動車が安全に走行するために必要不可欠な機械的・電子的部品である。自動車用プラスチック材料で作られた、機能的で化粧品ではない主要部品には、エアインテークマニホールド、グローブボックス、エンジンカバーなどがある。.

推奨エアインテークマニホールドの材質と処理

吸気マニホールドは、空気または空気と燃料の混合気をシリンダーに分配する重要なエンジン部品です。最高150℃の高温で使用されるため、自動車用材料には優れた熱安定性と高い機械的強度が求められます。.

最近の自動車には、ポリアミド66のようなガラス繊維強化プラスチックが使用されている。熱伝導率が低く、軽量で、エアフローを最適化するために複雑なランナー形状に成形でき、耐食性に優れているという利点がある。.

エアインテークマニホールドの処理には，エアフ ロー速度を向上させるために，ランナを滑らか な仕上げ（400-1,000グリット）に研磨するこ とが含まれる。ウェットマニホールドは、壁面に燃料が溜まるのを防ぐために、わずかなテクスチャ（400〜600グリット）を保持します。外側は耐久性と耐熱性を高めるためにコーティングされています。.

グローブボックスの自動車材料要件

グローブボックスは、デリケートな素材を安全に保管するためのスペースです。グローブボックスの素材を選ぶ際に考慮しなければならないのは、ガス透過性の低さと耐薬品性である。表面仕上げは、ダッシュボードの色や質感に合うようにしなければならない。.

グローブボックスの製造に一般的に使用される自動車用プラスチック材料はPP+EPDMである。その選択は通常、低コスト、低密度、高い成形性に影響される。ヒンジ、ピボットピン、ラッチなどの可動部品は通常POMで作られる。この材料は耐摩耗性と耐クリープ性に優れているためです。.

インモールド・テクスチャリングは、製品に木目の質感を出すためによく使われる。また、眩しさを抑えるために、ドアパネルの外側にソフトタッチの塗装を施すこともよく行われている。塗装は、特定の美的要求を達成するためにも使用できる。塗料が適切に付着するように、表面エネルギーにプラズマ処理を施すこともある。.

エンジンカバーに推奨される自動車材料

トップカバー、シュラウド、エンジンビューティカバーなどと呼ばれる。美観と機能の両方の目的を果たす。ボンネット下の環境は過酷であり、そのような環境でも変形せずに機能する素材が必要である。また、可燃性に関する安全規制（SAE J369など）に適合した素材でなければなりません。.

ガラス繊維で強化されたPA66は、その優れた耐熱性と高い寸法安定性から、自動車用材料として主に使用されている。エコノミーモデルや大衆車には、コスト効率を考慮してPPが使用されることもある。PUは、遮音と断熱のために、硬質熱可塑性樹脂製カバーの裏面に使用されることが多い。.

表面処理の目的は、エンジンルームの美観を向上させるか、環境要因から素材を保護することです。水性シリコンを含まないドレッシングは、プラスチック表面の「新品同様」の仕上げを保護または復元するため、あるいは色あせを防止するために施されることがある。.

ICEとNEVの重要な違い

軽量化は、新エネルギー自動車（NEV）において重要なコンセプトである。例えば、バッテリー電気自動車では、重い鋳鉄製内燃エンジン（ICE）が大型リチウムイオン・バッテリー・パックと電気モーターに置き換えられている。.

バッテリーパックが1回の充電でカバーできる距離を伸ばすため、NEVはカーボンファイバー、複合材料、アルミニウムなどの軽量素材を多用して車重を軽くしている。内燃エンジン（ICE）とNEVの主な材料の違いは以下の通り：

1. パワートレイン ICEは鋼鉄や鉄のエンジンブロックを使っている。対照的に、EVは電気モーターと銅を多用した配線を使用している。EVは可動部品が少ないため、パワートレインがよりコンパクトになる。.
2. 構造材： バッテリーパックの重量に対抗するため、EVは通常、構造部品に複合材料、アルミニウム、マグネシウム合金を使用する。.
3. 熱管理： ICEは熱管理のためにラジエーターを使用する。EVは、バッテリーを空冷するシステムを構築するために、特殊なプラスチック成形部品を使用することが多い。.

自動車産業における新素材と開発動向

次世代のNEVを駆動する、あるいはNEVの運用をより効率的にする、新しい自動車材料が出現している。例えば、研究者たちは、NEVを駆動するための水素燃料を貯蔵・放出するために、TiFeやLaNiのようなさまざまな水素貯蔵合金の使用に取り組んでいる。自動車業界の将来の動向を左右するような、革新的な自動車用プラスチック材料がいくつか開発中である。.

• 導電性プラスチック： 1970年代に実験上のミスから発見された。さらなる研究の結果、アセチレンの重合中にヨウ素を添加すると、3000万倍の導電性を持つポリアセチレンができることがわかった。この新素材は発光ダイオードの製造に使用され、センサーとして重宝されてきた。自動運転車のセンサーにも役立つだろう。.
• 工業用途の新しいポリマー： PHTはジャネット・ガルシアが偶然開発した新しいタイプのプラスチックである。このプラスチック・ポリマーは骨よりも硬いが、重さは普通のプラスチックとほぼ同じ。100%リサイクル可能である。将来的には、エネルギー効率を向上させるためにNEVの軽量化に使われるかもしれない。.
• ポリテトラフルオロエチレン： 化学者のロイ・プランケットは1938年にこの素材を発見した。科学者たちは、温度と耐腐食性を提供できるポリテトラフルオロエチレンの非粘着性コーティングの開発に取り組み続けている。自動車用シールとしての用途は、将来的に改善される可能性が高い。.

軽量化によるエネルギー効率の向上と、自動車産業をより環境に優しいものにしたいという願望が相まって、新素材の研究が活発化している。より機能的でない金属部品は、エンジニアリング・プラスチックに取って代わられ続けるだろう。.

参考文献

[1] Ortego, A., Russo, S., Iglesias-Émbil, M., Valero, A., & Magdalena, R. (2023). 自動車用プラスチック部品のエクセルギー評価. 車両、5(3), 1211-1226. https://doi.org/10.3390/vehicles5030067

[2] 米国環境保護庁。(2024年3月14日）。. 揮発性有機化合物（VOC）とは何ですか？ 米国環境保護庁. https://www.epa.gov/indoor-air-quality-iaq/what-are-volatile-organic-compounds-vocs

[3] ASTM International.(2020). E0810-20: 法塗料の分析と比較のための標準ガイド. .ASTMインターナショナル。. https://www.astm.org/e0810-20.html

[4] Aeroblaze Laboratory.(n.d.). 内装材の燃焼性 - FMVSS 302. .エアロブレイズ・ラボラトリー. https://www.aeroblazelab.com/tests/flammability-interior-materials-fmvss-302