FRP・GFRP・CFRP　切削加工・機械加工

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幅広い分野に軽量化で貢献しています。今回は、専門的な立場でCFRPの切削加工・機械加工について解説していきます。

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(Plastics)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と呼んでいます。

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先端素材CFRPが活躍しています。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となります。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ります。CFRPは、このような特徴や機能を理解できていないと扱うことが難しい素材です。

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から生産性やコスト面に課題があります。

炭素繊維強化プラスチック『CFRP』の製造/成形方法

CFRPの成形方法を紹介します。CFRPは用途や形状・ロッドなどにより様々な成形方法が存在します。

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。

高品質なCFRP部品製造の代表『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に存在しますが、ここでは材料の設計自由度も高く、高品質な製品が作れる代表的な工法である『オートクレーブ成形法』を紹介します。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呼ぶこともあります。また、オートクレーブ成形法では、金型の様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けの設備と言えます。

オートクレーブ成形法でCFRP部品を製造する際のプロセスの紹介

 

装置内部の過熱・加圧イメージ

CFRP切削加工・機械加工で押さえておくべき注意点

CFRPの機械加工には注意すべき点があります。

異方性を理解する

CFRPは繊維の方向に強度が依存する異方性材料です。特に機械加工においては、製造された部品内部がどの様な繊維の方向・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パスを作成することはできません。

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)が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。その様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機械加工へのこだわり

モノづくり最初の工程　治工具室

CAD/CAMや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部品の機械加工を担っています。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、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。さらに、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、積層しやすい・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・加工を行います。モノづくりの一連のプロセスを理解することが大切です。

こだわり　CFRP機械加工

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ます。

UCHIDAのマシニングセンタ

大型・高精度５軸加工機を用いて幅広いニーズにお応えします。

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

加工材質と設備

材質

CFRP/GFRPなどの複合材料・アルミ・チタン・ケミカルウッド・石膏

設備

①DMG MORI【5軸】M/C DMU 200 Gantry ：X2000xY2000xZ1200

②DMG MORI【5軸】M/C DMU 125P ：X1250xY1000xZ1000

③DMG MORI【5軸】M/C DMU 100P ：X1000xY1000xZ1000

④NEO 【5軸】 M/C MM4223 ：X4000xY2000xZ1200

⑤DMG MORI【3軸】M/C VS10000 ：X2050xY1000xZ600

サマリー

今回は、CFRPのモノづくり概要から機械加工について解説しました。CFRP機械加工にはCFRP自体の知識やノウハウが必要であり、部品構造が理解できていない状態で加工を行うと、トラブルが起きる可能性が非常に高いです。基本はドライ加工（乾式）となるため、金属加工など切削油を使用する機械では加工できません。