金属製品の多層成形技術とその自動車市場での活用

多層成形技術とは

多層成形技術は、異なる金属や金属と非金属を積層し、圧延や圧縮、加熱、または積層造形(AM)などのプロセスで一体化させる加工手法です。
材料ごとに最適特性を持たせながら、単一素材では得られない性能を同一部材内で実現できる点が大きな特徴です。

定義と基本原理

多層とは二層以上を指し、たとえば「鋼+アルミ+鋼」の三層クラッド材や「銅+グラファイト」の二層放熱材などが代表例です。
各層が持つ機械的・熱的・化学的特性を補完し合うことで、軽量化と高強度、耐食性と導電性など相反する要求を同時に満たします。
層間は、熱間圧延による拡散接合、爆発圧接、ロールボンディング、あるいは粉末床溶融(PBF)AMなどで原子レベルの冶金結合を行います。

代表的な多層成形プロセス

・クラッド圧延：異材を重ねたスラブを高温圧延し、界面拡散で接合する手法。量産性に優れる。
・爆発圧接：爆薬の衝撃波で瞬時に金属を固相接合。難接合材にも対応。
・積層造形(3Dプリンティング)：層ごとに材料を切り替えながら造形。複雑形状に適する。
・ホットスタンピング多層ブランク：自動車向けに、部分的にアルミ膜を配置した鋼板を一体プレスする工法。

自動車市場で求められる性能要件

自動車業界は電動化・軽量化・CO₂削減の潮流が加速し、マルチマテリアル化が避けられません。
車体骨格やバッテリー筐体、モーター部品まで、以下のような複合的要件が課されます。
・高強度・高剛性を維持しつつ10〜30%の軽量化
・塩害や薬液に対する10年以上の耐食保証
・高電圧化に伴う放熱＆電磁波シールド
・リサイクル性とサステナビリティ

多層成形はこれらを単一ソリューションで同時達成する手段として期待されています。

多層成形技術が自動車向けに提供するメリット

軽量化と燃費向上

高強度鋼板の外側にアルミ層を配置したクラッド材は、鋼の剛性を維持しつつ最大25%の質量低減が可能です。
これにより内燃車は1%の軽量化で約0.6%燃費が改善するとされ、EVでは航続距離延伸へ直結します。

耐腐食性と長寿命化

塩化カルシウム散布地域や沿岸部では車体下部の腐食が大きな問題です。
ステンレスやニッケル合金を表層とした多層鋼板は、溶融亜鉛めっきよりも耐食寿命が2〜3倍長く、補修コスト削減にも寄与します。

電気・熱マネジメント

EVバッテリーは急速充電時に大きな発熱を伴います。
銅−アルミ−銅のサンドイッチ構造を熱拡散プレートに用いると、銅の高導電率とアルミの軽量性を両立し、温度均一化が図れます。
またモーターケースに磁性鋼と非磁性アルミの層を組み合わせれば、不要な電磁ノイズを遮蔽しつつ重量増を抑制できます。

具体的な適用事例

ボディパネル用三層クラッド鋼板

外層(0.2mm)に耐食ステンレス、中間(0.8mm)に高強度鋼、内層(0.2mm)に制振アルミを配した1.2mmパネルが開発済みです。
従来の防錆コートを不要とし、防音材も削減できるため、ドア1枚あたり600g軽量化します。

バッテリーケースと熱拡散プレート

パウダーベッド方式AMで、下層に高熱伝導銅、上層に高強度アルミを連続造形した一体ケースが量産実証されています。
従来のアルミ削り出し品比で熱抵抗は40%低減、部品点数も3→1に減らせました。

排気系部品の耐熱積層材料

排気マニホールドには、耐熱鋼(SUS310S)とNi基合金(Inconel)の二層パイプが採用され、高温域のクリープ耐性と低温域の耐食性を同時確保します。
これによりターボチャージャハウジング温度900℃対応が可能となり、ダウンサイジングターボの過給効率が向上しました。

量産化に向けた課題と解決策

コストの最適化

多層材は材料コストが高く見えますが、塗装工程の削減や部品統合による工数削減でトータルコストは平均12%低下すると試算されています。
さらにロールツーロール圧延ラインの稼働率向上、スクラップ再利用による原単価抑制が鍵になります。

接合・加工の技術統合

層間特性差により溶接スパッタや割れが起こりやすいため、レーザーハイブリッド接合や摩擦攪拌接合(FSW)の適用が進んでいます。
プレス成形では「温間成形+急冷」により異材の降伏点差を吸収し、ばらつきを最小化する工法が開発されています。

リサイクルとサーキュラーエコノミー

複合材はリサイクルが難しいという懸念がありますが、異材クラッドは溶融時に粗分離しやすく、選別工程を経て90%以上の金属回収率が実証されています。
メーカーでは車両寿命終了後のクローズドループを想定し、材料パスポートとQRコードで層構成をトレースする仕組みを導入し始めています。

今後の展望とまとめ

CASE時代の到来により、自動車部材は「軽く・強く・賢く・環境に優しく」が当たり前の要件となりました。
多層成形技術は、マルチマテリアル化の課題である複雑工程と高コストを、ワンプロセスで克服できる有力ソリューションです。
将来的には以下の方向で進化すると見込まれます。
・AIシミュレーションによる層設計の最適化と開発期間の短縮
・グリーン水素を用いた低炭素圧延、カーボンフットプリントの可視化
・センサー機能を埋め込んだ「スマート積層材」による予兆保全

自動車メーカーやサプライヤーがこれらを積極採用することで、車両性能だけでなく製造・使用・廃棄までを通じたライフサイクルCO₂削減が期待できます。
多層成形は金属加工の新たなステージを切り開き、次世代モビリティ開発の中核技術として存在感を高めていくでしょう。