CFRPとは？
CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics：炭素繊維強化プラスチック)は、その名のとおり炭素繊維で強化されたプラスチックであり、複合材料（FRP）の一種です。最大の特徴は、『軽い・強い・腐食しない』ことです。その特徴を生かして、幅広い分野で先端素材CFRPが活躍しています。炭素繊維は単体では比強度の高い“糸”であり、形状を保持することができません。プラスチックと複合化することにより、高い強度や弾性と成形性を兼ね備えた製品をCFRPやドライカーボンなどと呼んでいます。
CFRPの成形方法
CFRPの加工を行う前に、成形方法をご紹介します。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
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高品質なCFRP部品製造の代表格『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。
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～少量生産向けの設備になります。下図は、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です。
プリプレグとは？
プリプレグ：(英) Pre-preg(Pre-Impregnated)、予備含侵された素材のことを指します。強化材として使用する炭素繊維に予め樹脂が予備含侵された素材を“カーボンプリプレグ”と呼んでいます。
まだ成形前（形になっていない）中間基材の状態
プリプレグ積層
カーボンプリプレグ積層動画
注意すべき点
確実に保護フィルムや台紙をはがす！
→成形後の不具合につながります
指示書通りの手順で積層する！
→CFRPなどの繊維強化プラスチックは繊維の方向に強度が依存する異方性材料なので、必ず設計（指示書）通りの基準・配向・順序・真空脱気を行いながら積層します。
→積層の順序を間違えると変形などの不具合に繋がりかねません。また、見た目や厚みは同じでも機械特性が全く異なる製品になってしまいます。
繊維のシワに注意する！
→成形後の厚みが変化したり不具合につながるので、曲面などを積層する際には繊維がシワにならないよう十分ケアしましょう。
作業は規定のクリーンルームで行う！
→製品の不具合につながるので作業は必ずクリーンルームで行い、層間に異物が混入しないよう十分注意します。
良い製品づくりのためには、事前の段取りや環境、作業手順にも細やかな配慮が必要です。
擬似等方性積層とは？
FRP、繊維強化プラスチックは異方性材料であることから、必要な方向に必要な強度を確保できます。金属などの等方性材料のように、どの方向にも一様に繊維を配向した積層を『擬似等方性積層』と呼びます。その名の通り等方性材料を擬似的に再現した積層方法です。そのため、全ての製品に材料設計が必要です。
この場合の積層順序は、【＋45°,０°,-45°,90°,90°,-45°,0°,＋45°】で計8plyを積層する構成です。積層途中で適宜真空脱気を行い、層間に閉じ込めらている空気を抜きます。
サマリー
今回は、CFRPに使用する中間材料『プリプレグ』を用いた積層『擬似等方性積層』について解説しました。少しイメージを持っていただけたでしょうか。
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UCHIDAの設備
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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