CFRP・CFRP製造方法

カ―ボンファイバー・CFRPの成形方法

CFRP(炭素繊維強化プラスチック)の最大の特徴は『軽くて・強い・腐食しない』ことです。この特徴を生かし、幅広い分野で先端素材CFRPが活躍しています。CFRPの製造方法として、設計自由度が高く高品質なドライカーボン(CFRP)が得られる代表的な成形方法がオートクレーブ製法です。

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によるワークフロー

成形型の製作

まず、CFRP製品を作るための成形型を設計します。オートクレーブ成形法では、プレス金型のように、上型と下型の中で成形するのではなく、外型のみを製作して内側はオートクレーブによる加圧によって成形を行います。材質は、ケミカルウッドや石膏・金属・CFRP型など、製作数量や形状などに合わせて素材を選定します。

DMG MORI TVCM 「Front Runner Vol.46 株式会社UCHIDA」

プリプレグ材の裁断

カッティングプロッターを使用してプリプレグと呼ばれる炭素繊維(カーボン繊維)に樹脂があらかじめ含侵されているシートを裁断します。プリプレグ材料は食品と同様で使用期限があり、一般的にマイナス18℃以下での冷凍保管が必要です。

積層作業

裁断されたプリプレグシートを職人が1層1層、設計に合わせて型に貼付け積層します。積層作業中に髪の毛などの異物が製品へ混入しないよう、清浄度を管理したクリーンルームで作業者は、クリーンウエア等を着用し品質管理に努めます。プリプレグシートは1層0.08-0.7mm程度の薄い素材ですが、後のオートクレーブによる成形工程中に層間に空気が残っていると、空隙や層間剝離などの不具合につながるため1層ごとに真空引きを行い脱気します。

YAOKI Laminate 01

バギング作業

積層作業後は、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、これで成形前の準備は完了です。真空バックをシールしているシーラントテープ(画像黄色い部分)や鋭角な形状の端部が破れてリークしてしまうことが無いようにしっかり封しします。

YAOKI Bagging 01

オートクレーブ成形

オートクレーブ成形を行うオートクレーブ装置はひと言でいうと圧力容器です。

圧力 管内を加圧し積層されたプリプレグシートを型に押し付け内部に残存する空気を脱気する役割をします。

温度 成形では、CFRTS(熱硬化性樹脂を用いた炭素繊維強化プラスチック)の場合、加熱することにより樹脂が硬化反応し固まり(硬化)します。CFRTP(熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維強化プラスチック)の場合は、加熱することで溶融し、冷却させて固まります。※チョコレートのようなイメージです。

真空 成形中は、一般的にバギングされた製品は真空を維持し脱気を行います。成形中の履歴は記録計を用いて、紙もしくはデータ媒体で残しトレーサビリティとしてお客様への提出や自社規定に基づき保管します。

オートクレーブ

装置内部の過熱・加圧イメージ

圧力・温度・真空を製品に合わせてプログラミングし成形を行います。

仕上げ

オートクレーブ成形を終えると、型から製品を外す脱型作業を行い、製品を既定の位置でトリミング、穴あけ、接着・アッセンブリ、表面仕上げ、場合によっては塗装を行い製品を仕上げます。

YAOKI After cure 01

検査

ものづくりが終わると最終検査を行います。製品の外形状や寸法測定、穴計測などご要求に合わせて検査を実施します。構造品の場合には、製品内部や接着部などに空隙や不具合が無いことを検証するため、超音波探傷器を用いて非破壊検査を実施し製品を保証します。

まとめ

今回はCFRP製造の代名詞『オートクレーブ成形』を解説しました。オートクレーブ成形では、成形サイクルが一般的に4-5時間程度必要です。最大の特徴は、型の材質や製品材料・形状など設計の自由度が高く、CFRPの特徴や性能を最も引き出しやすい製法です。製品の制約はオートクレーブの大きさ(内径x長さ)に依存します。これらの特徴から試作開発から多品種少量生産で高品質なCFRP製造に最良な設備となっています。

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