コンポジット・カーボンコンポジット　CFRPとは？

イントロ

カーボンコンポジット『CFRP』という言葉を聞く機会が増えています。CFRP＝軽い・強いがコストが高いというイメージが先行しますが、実際どんな素材でどのように製品化していくのでしょうか。

CFRPとは？

『Carbon Fiber Reinforced Plastics：炭素繊維強化プラスチック』カーボンファイバーはその名のとおり炭素繊維のことですが、炭素繊維単体では細い糸であるため形状を保持できません。樹脂(Plastics)と合わせて使うことで、形状を保持し炭素繊維の軽くて強い特徴を生かすことが出来ます。このように、繊維と樹脂など２種類以上の素材を組み合わせて新たな機能をもたらす素材を複合材料(Composite)と総称します。繊維と樹脂を組み合わせた素材をFRP(繊維強化プラスチック：Fiber Reinforced Plastics)と呼び、使用する繊維が炭素繊維の場合はCFRP(炭素繊維強化プラスチック:Carbon-Fiber Reinforced Plastics)、ガラス繊維であればGFRP、アラミド繊維であればAFRPと呼んでいます。

カーボンコンポジット

つまり、カーボンコンポジットは『カーボン(Carbon)』を『コンポジット(複合材料)化』した素材＝『CFRP』ということです。主な特徴である『軽い・強い・腐食しない』という点を生かして、航空機や人工衛星、自動車、スポーツ、レジャーなど幅広い分野で先端素材CFRPが活躍しています。CFRPは、カーボンファイバー（炭素繊維）の方向に強度が依存するため、金属のように等方性材料ではなく、異方性材料として、すべての製品に材料設計が必要です。繊維・樹脂を含めて設計の自由度が高いため専門性が必要になります。CFRPは、このような特徴や機能を理解できていないと扱うことが難しい素材です。

メリットの多いCFRPですが、型が必要であること・材料コスト・製造が煩雑であることなどから生産性やコスト面に課題があります。

炭素繊維強化プラスチック『CFRP』の製造/成形方法

CFRPの成形方法を紹介します。CFRPは用途や形状・ロッドなどにより様々な成形方法が存在します。

CFRPの成形方法

オートクレーブ成形

RTM(Resin Transfer Molding)成形　

Va-RTM（Vacuum Assisted-RTM）成形

プレス成形

ハンドレイアップ成形

フィラメントワインディング成形

シートワインディング成形

引抜き成形

3Dプリンター

当社では■色の製法に対応しております。

高品質なCFRP部品製造の代表『オートクレーブ成形法』

CFRPの成形方法はロッドや形状・用途などによって様々に存在しますが、ここでは材料の設計自由度も高く、高品質な製品が作れる代表的な工法である『オートクレーブ成形法』を紹介します。オートクレーブ成形法などで作られた高品質なCFRPをドライカーボンと呼ぶこともあります。また、オートクレーブ成形法では、金型の様に高価な成形型を必要とせず製品が製造できるため、試作から少量生産向けの設備と言えます。

オートクレーブ成形法でCFRP部品を製造する際のプロセスの紹介

装置内部の過熱・加圧イメージ

CFRP取り扱いの注意点

異方性材料

CFRPは金属のようにどの方向も一様の強度を持つ等方性材料とは異なり、炭素繊維の方向に強度が依存する異方性材料です。必要な方向に必要な強度確保できることから、どんな製品でも材料設計・積層設計が必須で、専門知識が必要です。工

様々な成形方法/製造プロセス

おさらいになりますが、CFRPの製造方法は製品の素材や形状・製造ロッド・納期・Vf(体積に占める繊維量)などにより様々です。

特殊工程

主にオートクレーブ成形法によるCFRPの製造では、プリプレグシートと呼ばれる１層が0.08-0.2mm程度の樹脂があらかじめ含侵された薄いシートを何層も積層して製品化します。成形後はプリプレグシートの層間に異物や空隙（ボイド）があっても外観からは視認することができません。このような工程を『特殊工程』と呼んでいます。特殊工程においては、非破壊検査によって内部欠陥を検証することが可能ですが、各製造プロセスにおいて工程管理が非常に大切になります。

サマリー

カーボンコンポジット『CFRP』成形について解説しました。CFRPの用途は、軽量化の優先順位が高い“飛ぶもの”を始め自動車やスポーツ・レジャーなど広まってきています。一方で製造方法やコスト感などは情報も乏しく、ハードルが高いと感じる方も多いのが実情です。このような特徴から、相談や依頼の際はCFRPを熟知し実績のあるメーカーへの問合せが確実です。

UCHIDAの設備

UCHIDAではお客様の高度な課題にも対応できるように最先端の設備を導入しております。

DMG森精機 - VS1000/40/2050
X軸：2,050mm（ストローク） ／ Y軸：1,000mm ／ Z軸：600mm ／ テーブル作業面：2,250×1,000mm

芦田製作所 - AUTO CLAVE 2号機
サイズ：Ø1,150×1,000mm ／ 使用温度：常温〜400℃ ／ 設計圧力：2.0Mpa（最高使用圧力） ／ 真空方式：バック吸引方式 ／ 真空口数：5個

芦田製作所 - AUTO CLAVE 3号機
サイズ：Ø3,000×6,000mm ／ 使用温度：常温〜200℃ ／ 分布精度：±2.5℃以内 ／ 昇温速度：4.0℃/分（空炉） ／ 冷却速度：4.0℃/分（空炉） ／ 設計圧力：0.99Mpa（最高使用圧力） ／ 常用圧力：0.7Mpa以内（メーカーから指定がなければ0.3Mpa位） ／ 圧力精度：±0.02Mpa（０〜0.99Mpa/cm²の圧力設定に対して） ／ 昇圧精度：0〜0.03Mpa/min ／ 圧力源：圧縮空気（常用時） ／ 真空方式：バック吸引方式 ／ 真空口数：10個

オーブン
サイズ：W1,000×H1,000×D1,000mm ／ 温度範囲：環境温度+20〜300℃ ／ 昇温能力：環境温度（20〜40℃）〜300℃まで/45分以内 ／ 真空方式：バック吸引方式 ／ 真空口数：10個

エスペック - 恒温恒湿槽

インストロン - 万能試験機5958

オーブン
サイズ：W7,000×H3,000×D2,000mm ／ 温度範囲：環境温度+20〜300℃（MAX） ／ 昇温能力：環境温度（20〜40℃）〜300℃まで/60分以内 ／ 真空方式：バック吸引方式 ／ 真空口数：10個

NEO
X軸：4,000mm（ストローク） ／ Y軸：2,000mm ／ Z軸：1,200mm ／ C軸：0度〜±270度 ／ B軸：0度〜±110度 ／ テーブル作業面：4,000×2,000mm

【開発】
3Dプリンター | Markforged

塗装ブース
各種塗装・クリア仕上げ等は、専用の塗装ブースで行っています。

接着・仕上げ・コーティングルーム
型や成形物の表面処理・トリミング・穴明け・接着等の仕上げ工程は専用ブースで行っています。

東芝 - マトリックスアイEX （超音波探傷器）
Matrix-Arrey：32

AMETEK CREAFORM MetraSCAN750 Elite（3Dスキャン）

• 検査室 オリンパス - 倒立顕微鏡

オーブン
サイズ：W450×H450×D450mm ／ 温度範囲：環境温度+50〜650℃ ／ 昇温能力：環境温度+50〜650℃/120分以内

カッティングプロッター
テーブル作業面：W1,500×L3,500mm

島精機製作所 - カッティングプロッター

KUKA - ロボット

Krauss Maffei - エポキシ樹脂注入機
Resin 60ℓ ／ Hardener 25ℓ

Krauss Maffei - 630t プレス機
W1,200×L1,500×H1,700mm ／ Power Unit：Vacuum valve×2 ／ Air valve×5 ／ Hydraulic valve×5

DMG森精機 - NV5000B/40
X軸：1,020mm（ストローク） ／ Y軸：510mm ／ Z軸：510mm ／ テーブル作業面：1,320×600mm

大型クリーンルーム
JIS B 9920 清浄度クラスの上限濃度（個/立方メートル） ／ クラス5：100,000m³ ／ 室容量：256m²（16,000×16,000mm）　760m²（16,000×16,000×3,000mm） ／ 室内温湿度条件：温度 23℃±3℃　湿度 65%以下 ／ 外気条件：夏期　温度35℃　湿度 70%以下 ／ 冬期　温度-5℃　湿度 40%以下

CAD / CAM
CATIA V5：2台 ／ THINK DESIGN：1台 ／ MASTER CAM：4台 ／ その他 3D/CAD：3台 ／ その他 2D/CAD：5台

Markforged - 3Dプリンター

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