プリプレグ・CFRPプリプレグとは？

CFRPとは

CFRP(炭素繊維強化プラスチック)は、その名のとおり炭素繊維で強化されたプラスチックのことであり、複合材料の一種です。最大の特徴は、『軽くて・強い・腐食しない』ことです。この特徴を生かして、先端素材CFRPは幅広い分野で活躍しています。CFRPの特徴を発揮しやすくプリプレグを使用するCFRP成形の代表としてオートクレーブ成形があります。

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。

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。

プリプレグ・Pre-pregとは？

オートクレーブ成形で使用するCFRP素材、プリプレグとは樹脂があらかじめ予備含侵された炭素繊維シートのことを指します。炭素繊維の形態は大きく２種類あり、繊維が一方向に並んだUD材と縦糸と横糸で織物になっているCloth材があります。炭素繊維は強度や剛性に合わせて豊富な品種の中から、構造に適した素材を選定します。マトリクスとして使用する樹脂は、熱硬化性・熱可塑性どちらも幅広く選択できます。樹脂の特徴や耐熱性などによって選択します。一般的に多く使用されているのは、Cloth材（平織りや綾織り）でエポキシ樹脂をマトリクスとして使用しているCFRP製品です。

プリプレグのメリット

プリプレグ材は、あらかじめ規定量の樹脂が均質にコントロールされてシート状に製造されているため、設計値に近い・バラつきの小さい再現性の高い製品を作ることができます。

あらかじめ規定量の樹脂が含侵されているため、RTMなど後から樹脂を含侵する製法と比較してVfを高く製造できること・製品内の欠陥に繋がる空隙（ボイド）が少ない製品を再現性高く製造できます。

プリプレグの取り扱い

プリプレグ材は、樹脂が予備含侵されている素材のため一般的に冷凍保管が必要です。メーカー保証は-18℃以下で半年～1年程度で積層して使用します。CFRPは繊維方向に強度が依存する異方性材料のため、製品ごとに積層設計が必要です。一般的にプリプレグ材は厚さが0.08~0.2mm程度の薄い素材です。構造や剛性に合わせて何層も積層して製品化していきます。樹脂量や繊維目付の選定についても重要な要素です。どの程度の樹脂含有率の設定とするのか。繊維目付は単位体積当たりの繊維の重さです。数値が大きいほど厚いプリプレグということになります。積層設計を行う際には、例えば「表層は意匠を優先に織物材(Cloth)の薄目付を使用。」「内部は主構造を担うエリアはUD材。」「厚みを持たせて剛性を上げたいエリアには、Cloth材の厚手目付を選択。」など、使用する製品の構造によって数種類のプリプレグを組み合わせて使用することが多いです。

YAOKI Laminate 01

擬似等方性積層とは？

上述の通りCFRPは繊維方向に強度が依存する異方性材料です。製品の必要な方向に必要な強度を付与し、不要な方向には強度を低下させることも自在にできます。UD材を使用して板材を製造する際に、どの方向も一様の強度で製造したい場合には、繊維方向を【＋45°/0°/-45°/90°】sのように設計します。この場合は、＋45°,0°,-45°,90°,90°,-45°,0°,+45°の順で積層し、計8Plyの積層を意味しています。語尾の“ｓ”はSymmetryの略でCFRPは対称積層が基本です。また、繊維方向に強度が依存しますが、繊維の隣通しはマトリクス樹脂によって接着されているような状態のため、特に一方向材料(UD)を使った成形では対称積層を行わないと成形時の硬化/冷却収縮の差から板が変形してしまいます。このような、どの方向も同程度の強度を有する積層方法を擬似等方性積層と呼びます。

擬似等方性積層とは？

バギング作業

積層作業を終えると、離型フィルムやブリーザークロス・バギングフィルムなど専用の副資材を配置して真空引き（バギング）作業を行い成形前の準備は終わりです。その後、オートクレーブ装置にセットし成形を行います。

YAOKI Bagging 01

YAOKI After cure 01

まとめ

プリプレグについて

今回はCFRP製造に使用する素材『プリプレグ』について解説しました。素材の選定や積層設計のベースなど少しイメージを持っていただけたでしょうか。実際使用するには、冷凍保管（冷凍庫）や品質管理のための清浄度管理されたクリーンルーム、成形設備（オートクレーブ）など環境を整える必要があります。また、積層設計にも専門知識が必要であり、複数のプリプレグを組み合わせて製品化することが多く、素材にも使用期限があることから、ご依頼時にどの程度の品種が在庫してあるかによって納期や費用にも影響してきます。

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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