FRP・GFRP・CFRP　短納期に対応

イントロ

炭素繊維強化プラスチック『CFRP』という言葉を聞く機会が増えています。CFRPの主な特徴は『軽い・強い・腐食しない』ですが、実際どんな素材をどのように製品化し、短納期に対応しているのでしょうか。

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。

CFRP』製造方法

多くの特徴を持った素材『CFRP』ですが、どんな製法で製品が生まれていくのでしょうか。ここではCFRPの成形方法をご紹介します。

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の取り扱いで押さえておくべき注意点

異方性材料

CFRPは金属のようにどの方向も一様の強度を持つ等方性材料とは異なり、炭素繊維の向に強度が依存する異方性材料です。必要な方向に必要な強度確保できることから、どんな製品でも材料設計・積層設計が必要となり専門知識も必要になります。

様々な成形方法/製造プロセス

おさらいになりますが、CFRPの製造方法は製品の素材や形状・製造ロッド・納期・Vf(体積に占める繊維量)などによって選定するため様々に存在しています。

特殊工程

主にオートクレーブ成形法によるCFRPの製造では、プリプレグシートと呼ばれる１層0.08-0.2mm程度の樹脂があらかじめ含侵された薄いシートを何層も積層して製品化します。成形後はプリプレグシートの層間に異物や空隙（ボイド）があっても外観からは視認することができません。このような工程を『特殊工程』と呼んでいます。特殊工程においては、非破壊検査によって内部欠陥を検証することが可能ですが、各製造プロセスにおいて工程管理が非常に大切です。

短納期に対応するためには！？

ここまで、CFRP部品の製造プロセスや注意点について解説しました。では、短納期を実現するためにはどんなことが必要となるのでしょうか。

量産設備以外の設備・環境を保有

短納期開発においては、量産などで使用したい設備が占有されていると、即対応が困難になります。いつ依頼がきても対応できるように、柔軟な成形設備・加工設備を保有していることが強みになります。

幅広い分野での経験・長年蓄積した技術

経験の無い分野や素材・製造方法では初動が遅くなりがちで、製造着手までに時間を要します。特に、試作開発や短納期開発・製造ではこの経験値こそが重要な要素です。短納期でのご依頼では、製造図面や要求仕様が不足していることも多く、培った実績・経験を基にニーズを把握し、製品化へのご提案を素早く行う提案力が求められます。

製造工程のワンストップ対応

設計から成形型製造/CFRP製品成形/二次加工/アッセンブリ/塗装/検査という一連の作業に、ワンストップで対応できること。これは製造において、仕入れや外注先など仕様や価格調整をはじめ、輸送に関わる時間も含めて考えると、短納期対応に大きく影響します。つまり一連の製造プロセスを社内ワンストップで対応できることが理想の短納期開発に繋がるのです。

『組織風土』『人財』

最後に、短納期開発やCFRP試作開発においては、大半の工程を作業者の手を介して製品化していきます。作業者一人ひとりが人財であり、顧客要望を汲み取って、柔軟に働き方もアレンジし製品に向き合いながら、短納期且つ高品質を実現するマインドや技術・組織風土が必要不可欠なポイントです。

サマリー

今回は炭素繊維強化プラスチック『CFRP』のモノづくりから短納期対応について解説しました。短納期開発には、実績や経験、一連のプロセスを社内で完結できることが大きく寄与しています。

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

Markforged - 3Dプリンター

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