イントロ
炭素繊維強化プラスチック『CFRP』という言葉を目にする機会が増えています。金属に代わる軽くて強い素材として注目を集めていますが、量産性や素材・製造コストに課題が多い材料でもあります。いったいどんな素材なのでしょうか。
概要
CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics):炭素繊維強化プラスチックとして採用が広がっていますが、製造の煩雑さや素材コスト・型が必要になる点など生産性やコストにおいて課題も多い素材です。今回は、3Dプリンターを用いたCFRP開発事例について解説していきます。
CFRPの特徴
炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の大きな特徴は『軽い・強い・腐食しない』です。詳細は下記コラムをご参照ください。
CFRPの製造方法
多くのメリットを持つCFRPですが、実際どんな製造方法で作られるのでしょうか。ここでは代表的な成形方法である『オートクレーブ成形』とオートクレーブ成形に使用するCFRP素材『プリプレグ：Prepreg』を下記コラムでご紹介しています。
3Dプリンターを活用したCFRP製品開発
ここまでの記事をご覧いただき、製造の煩雑さや型が必要となることを理解いただけたと思います。今回は、炭素繊維が連続造形可能な3Dプリンターを活用して開発を行ってきた、脊髄損傷者用長下肢装具『C-FREX』を事例としてご紹介します。
C-FREX(シーフレックス)について
C-FREXはCarbon-Fiber Reinforced Exoskeletonの略で、CFRPの特徴を生かした脊髄損傷者用長下肢装具です。2014年-2021年に渡り、国立障害者リハビリテーションセンター研究所と共同開発を行ってまいりました。C-FREXは、脊髄損傷者が身体機能を維持するために使用するCFRP製の歩行装具です。外部動力を用いずに健常者に近い歩容を実現するため全く新しい装具開発を行ってきました。
オーダーメイド装具
3Dプリンター採用の経緯の大きな点は、オーダーメイドなどマスカスタマイジング領で一般のユーザー向けに毎回型を製造する方式では、開発にも多くの資金的・人的・時間的リソースがかかる点と、尚且つ最終的には生産時にユーザー負担が増えてしまい制約となってしまう点にありました。
開発のPDCAサイクル加速化
本装具開発において、概念設計～機構設計～試作～装着ユーザーテストを少しでも早いサイクルで回す必要がありましたが、毎回CFRP用の型を製作しCFRP製品を製造しユーザーテストを行っていても、マイナーな小修正が多く、また本業の繁忙時期には開発は後手に回さざるを得ないことも多く、思うように進まなくなってきました。そのような時に、すぐに試作検証が出来て、尚且つ本業の影響を受けず＋低コストで高強度が実現できる炭素繊維を連続造形可能なMarkforged社製の3Dプリンターを導入し開発を加速させてきました。
3Dプリンター部品の多様化
最終的には、ユーザーごとにサイズや剛性の異なる部位で、従来のCFRPでなくても十分機能する支柱部分などに多くの3DプリンターによるCFRP部品を採用しました。
2021年開発完了
2014年のスタートから約8年の開発を経て、要求機能を実装した機能プロトタイプが完成し東京オリンピック/パラリンピックのトーチリレーにてお披露目することができました。
サマリー
今回は、炭素繊維強化プラスチック『CFRP』の中でも3Dプリンターを用いたCFRPについて解説しました。先端素材と言われる素材なので、まだ情報も少なく全てを理解することは難しいと思います。3Dプリンターでは、まだまだ形状的な制限やマトリクスとして使用する樹脂などにより従来のCFRPほど設計の自由度はありませんが今後の技術進歩や素材開発によってある程度代替されていくと思います。弊社においても、3Dプリンターによる製品のダイレクト造形や、型や治工具としての開発を行っており用途を広げていきます。
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UCHIDAについて - 創業55年
当社では、FRP・GFRP・CFRPを用いたCFRP成形加工メーカーとして多くの技術ノウハウを活用し、設計・解析から製造、二次加工・アッセンブリ、塗装、品質保証、試験までワンストップに対応しています。
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
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