CFRP積層・CFRP成形技術

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になっています。

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

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を『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を担っています。

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となります。 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。この様な、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。その為、徹底した工程管理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、小さな物から大型一体構造品まで多くの経験があります。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。複雑な積層成形もマネキン製造で創業している当社の技術力ならでは！と自負しています。創業45周年に製作した下記のCARBONE MIRAIをご覧頂ければ微細な技術がご覧いただけます。

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

まとめ

今回はCFRPのモノづくり概要から成形技術について解説でした。CFRP成形工程では工程管理が重要で材料保管用冷凍庫や空調管理（温湿度管理）されたクリーンルームが必要です。複雑な形状や構造についての相談には蓄積された知恵と経験が何よりも大切であり、これらの特徴から、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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