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の検査や品質保証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、その名の通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)、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と表します。先端素材CFRPは、主な特徴である、『軽い・強い・腐食しない』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。また、繊維・樹脂を含めて設計の自由度が高いため専門性も必要です。このような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といえるでしょう。

課題

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点から生産性やコスト高が課題です。

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

CFRP検査

CFRPの取り扱いには注意すべき点があります。

CFRPの品質保証について

①異方性を理解する

おさらいになりますが、CFRPは繊維の方向に強度が依存する異方性材料です。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、をよく理解しておく必要があります。

②徹底された工程管理

CFRP（プリプレグシート）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。 製品の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。積層作業の際にも、指示通りの材料で繊維の配向が間違っていないか・保護フィルムを剥がし忘れていないかなど、作業者と検査員による多重チェックで行い不具合を未然に防いでいます。

UCHIDAのCFRP検査・品質保証へのこだわり

UCHIDAの検査室　

CFRP製品の検査を行う『検査室』では、加工された成形型の工程内検査や成形後の一次検査・完成品の検査を担っています。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、検査室は出荷前の最終工程を担っています。

こだわり　現場に合わせた計測

当社では、試作開発や多品種少量生産がメインとなり、お客様や製品ごとに求められる精度や品質などの要求が異なります。特に試作開発では短納期でのご依頼が多く、各セクションはモノづくりに対する要求事項を調整し、100%仕様が固まる前に製作に着手します。モノづくりの動きに合わせて一次検査や最終検査を行うため、計画通りに計測することはできません。検査室は、モノづくり（現場の流れ）に合わせた柔軟な計測を心がけています。

こだわり　設備の充実

当社で保有する検査装置には、非接触三次元測定機や恒温槽付き静的万能試験機・超音波探傷器・倒立顕微鏡などを揃えています。

まとめ

以上、CFRPのモノづくり概要から検査・品質保証についての解説でした。特殊工程には様々な非破壊検査が必要なことがお分かりいただけたでしょうか。これらの特徴から見ても、CFRP製品の検査・品質保証については、CFRPを熟知し実績のあるメーカーへの依頼が確実であると言えます。

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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