CFRP成形加工

イントロ

当社では、1968年の創業から複合材料（FRP）の成形加工を行っており、主としてCFRP(炭素繊維強化プラスチック)の特徴である『軽くて・強い・腐食しない』を生かし次世代モビリティなどへ軽量化で貢献しています。今回は、専門的な立場でCFRPの積層・成形技術について解説します。

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形状を保持できません。樹脂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できます。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と呼びます。これらの『軽い・強い・腐食しない』という主な特徴を生かし、先端素材CFRPは、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活躍しています。また、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、金属の様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ので、それらの特徴や機能を理解できていないと扱うことは難しい素材です。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の面から生産性やコストが課題となっています。

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。

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製造できる代表的な工法である『オートクレーブ成形法』をご紹介します。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いうこともあります。オートクレーブ成形法は、金型のよう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きの設備製法です。

オートクレーブ成形法CFRP部品製造プロセス

装置内部の過熱・加圧イメージ

UCHIDAのCFRP積層・CFRP成形へのこだわり

UCHIDAの積層室

CFRPの品質を決める、カーボンシート（プリプレグ）の裁断から積層作業/真空引き（バギング工程）/オートクレーブ成形を行うプロセスは『積層室』で担っています。当社は、設計・解析から型製作・積層成形・二次加工・塗装・検査・試験とワンストップで対応しており、積層室はモノづくりの成形加工の中核だと言えます。

こだわり　工程管理

積層室で扱うCFRP（プリプレグシート）は、食品と同様で使用期限があり冷凍保管が必要です。 製品品質に影響するため、冷凍庫から解凍して材料を裁断し、積層・バギング・オートクレーブ工程を行うまで、材料の暴露時間や温湿度を管理しトレーサビリティを徹底しています。どんなに熟練技能を持つ職人が作業を行っても、適正な工程管理がされていないと、成形後の不具合が発生する恐れがあります。また、１層0.2mm程度の薄いカーボンシートは何層も積層することで強度や剛性を発揮します。工程管理が悪い状態で成形を終えた製品は、外観目視では判別できない内部欠陥を生じている場合があります。このような、後からでは検知できない工程を『特殊工程』と呼んでいます。そのため、当社では徹底した工程管理を行うことによって、不具合を未然に防いでいます。

こだわり　CFRP積層技術

当社では、あらゆる分野において、小さな物から大型一体構造品まで多くの製作経験があります。使用する環境によって、使用するプリプレグも樹脂や繊維も異なり素材ごとに『貼り勝手』も大きく異なります。製品の構造や素材の特徴を理解した上で、製品製造を心掛け、後工程での手間をできる限り少なくできるよう配慮しています。複雑な積層成形技術もマネキン製造で創業している当社ならではの培ってきた技術だと自負しています。創業45周年に製作した下記リンクのCARBONE MIRAIで微細な技術をご覧頂けると思います。

カーボン製フィギュアのできるまで／How to make the CARBONE MIRAI with carbon fiber

複合材の切削加工・機械加工で押さえておくべき2つのポイント

複合材の機械加工には特に注意すべき点が2つあります。

異方性を理解する

おさらいです。CFRPは繊維の方向に強度が依存する異方性材料であり、繊維と樹脂が複合化された素材です。特に機械加工においては、製造された部品内部がどのような繊維の方向・積層構成になっていて、マトリクスとして使用している樹脂にどんな特性があるのかをよく理解して加工を行う必要があります。繊維の方向や量・積層構成によって加工抵抗が異なることや樹脂によっても熱特性が異なることから、それらCFRP(複合材)特有のノウハウを理解できていないと適正な加工はできません。

ドライ加工（乾式）が前提

CFRPの機械加工には切削油等は使用できません。CF(カーボンファイバー)は、微小ですが吸湿する素材のため、油分が一度浸み込んでしまうと除去することができなくなります。外観では吸湿は視認できませんが、製品として長期使用していくと、浸み込んだ界面から層間剝離などに繋がる恐れがあり、取り扱いには注意が必要です。そのような環境下で製品を使用する際には、加工後に製品表面を塗装やシーリングによって保護し吸湿を防ぎます。

UCHIDAのCFRP加工へのこだわり

UCHIDAの治工具室　

マシニングセンタを用いたCFRP加工を行う部署『治工具室』では、CFRP成形に使用する成形型や検査治具・接着治具等の設計・製作と成形後のCFRP部品の二次加工を行っています。当社は、設計・解析から型製作・積層成形・二次加工・塗装・検査・試験とワンストップで対応しており、治工具室はモノづくりの最初の工程を担っています。

こだわり　成形型

CFRP部品において、成形加工は品質を左右する大事なプロセスですが、一番重要なプロセスは成形型の設計です。良い製品は型で決まります。当社では、幅広い分野の実績を生かし複雑な大型一体成型品などを得意としており、難しいご要望にもお応えできます。培った経験とワンストップの強みを生かして、後工程に配慮した『使いやすい型』を製作します。使いやすい型とは、製品構造を理解し、積層しやすく・成形時に温度ムラが少ない・取扱いに際して破損しづらい・持ちやすいなど、製作数量や型の素材に合わせて最適な型設計・加工を行ってこそ作りだせるものです。モノづくりの一連のプロセスを理解することが最も大切です。

こだわり　CFRP加工

CFRP機械加工と言っても、製品によってCFRPの中身も異なります。当社で製造するCFRP部品は、成形時に発泡体や金属をインサートしている構造部品も多く、機械加工では①CFRP異方性と樹脂の理解、②金属との複合化されたCFRP部品、それぞれ事前に加工方法を検証します。この様な複合化された複雑な部品でも、ドライ加工を基本として、穴あけ・ネジタップ・トリミング・3D形状加工など多くの加工実績があります。使用する工具もCFRPの特性を理解し、様々な特殊な工具を使い分けています。

UCHIDAのCFRP二次加工へのこだわり

UCHIDAの仕上室　

成形を終えたCFRP製品を完成品に仕上げる工程を行う部署『仕上室』では、機械加工後の型のコーティングや成形後の製品をトリミング・穴あけ・接着・アッセンブリ・塗装などを行い完成品に仕上げる工程を行っています。仕上げ室はモノづくりの最終工程、仕上げ作業を担っています。

こだわり　成形型の仕上げ

CFRP用の成形型（今回は試作型）の場合、マシニングセンタによって高精度に加工された型の表面を樹脂でコーティング施工を行います。マシニングセンタによる加工ではボールエンドミル等を用いた加工となるため、型の表面は厳密には凹凸が存在します。・CFRP製品は成形型の表面精度がそのまま転写されるため、最終外観を意識して型の表面を仕上げていきます。このひと手間で製品の品質（外観）は全く異なるため、マシニングセンタによる精度を損ねずに、且つ品質を向上させるよう配慮しています。

こだわり　CFRP製品仕上げ

当社においては、試作開発や多品種少量生産がメインとなり、製品をマシニングセンタで二次加工を行うケースは、高精度な寸法要求や厚物を加工するケース・CFRPと金属のハイブリット製品を共加工するケースなどに限定され、大半は人の手を介して仕上室にて担当します。CFRPは素材自体のコストや製造が煩雑なため、最終工程での作業ミスは大きな損失に繋がります。常に品質にこだわり、前工程での工程不具合を検知できる目を養うことや、大切に生み出された成形品を不具合に変えないように作業者の技術向上や作業環境を整えることを意識しています。

まとめ

UCHIDAのCFRPモノづくり技術について解説してきました。CFRP部品製作には一連の設備・環境と人の技術が組み合わさってこそ、高品質な製品がつくられます。UCHIDAには歴史（経験）＋設備/環境の充実＋職人のこだわりが整っています。これらの特徴から、CFR製品の製作にはCFRPを熟知し実績のあるメーカーへの依頼が確実です。

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

UCHIDAの設備情報はこちら