各種加工

炭素繊維強化樹脂CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics

CFRPは熱硬化性樹脂と炭素繊維織布の組み合わせで、オートクレーブ工法(高温高圧炉)からスタートしたが生産性に課題があった。そのため、生産性向上を狙いとして、新たに炭素短繊維と熱可塑性樹脂の射出成形機の組み合わせが考案された。しかし、耐熱性がなく強度不足のため小物部品や軽負荷ドアパネルなどへの採用に留まっているため、連続繊維との組み合わせなど改良が進んでいる。一方、従来からの熱硬化性樹脂も課題だった硬化時間が改良され、熱プレスなどを使用するハイサイクル工法など用途に応じて選べるようになってきている。

□工法区分

区分

CFRP

CFRP

CFRP

CFRP

CFRTP

CFRTP

工法

ドライカーボン

RTM

PCM

PCM

射出成形

LFT-D

樹脂

熱硬化

速硬化

熱硬化

速硬化

熱硬化

熱硬化

熱可塑

熱可塑

中間材

プリプレグ織布

連続繊維

プリプレグ織布

SMCシート

短繊維

なし

短繊維

押出材

連続繊維

予備成形

真空成形など

射出

成形機

オートクレーブ

熱プレス

複合

熱プレス

熱プレス

射出成形

熱プレス

サイクル

数時間

300秒

180秒

300秒

30秒

60秒

サイズ

100㎜~2000㎜

構成

炭素繊維強化プラスチックの略号は2種類。

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)、または

CFRTP(Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics)

ゴルフクラブのシャフトが代表例。炭素繊維を重ねて樹脂で固めた複合材料。軽量で鉄並みの強度がある。加熱すると硬化する熱硬化性樹脂のCFRPと加熱すると溶ける熱可塑性樹脂のCFRTPがある。

材質:強化材

・炭素繊維フィラメント:

所定の本数に束ねた長繊維束。炭素繊維製品群の最も基本となる材料。炭素繊維は単独で使用されることはまれで、通常は複合材料の強化として利用される。

・プリプレグ (Pre-preg):

連続炭素繊維を織物に加工して、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシート。最強品。

・SMCシート(Sheet molding compound / シート モールディング コンバウンド):

炭素繊維を10~50mm程に短くチョップして熱硬化性樹脂と練り合わせて、半硬化したシート。生産性を改良した熱硬化性樹脂シートで、市場で多く活用されている。

・短炭素繊維:

熱可塑性樹脂に混ぜペレットに加工することで、通常の射出成形機で成形できる。繊維長は数㎜が限度で、補強材として使用する。

・連続炭素繊維:

熱可塑性樹脂とともに押出材とすることで高速熱プレス成形できる。重量比で炭素繊維20%の高含有率が可能で、低温環境で使用する高強度部品が成形できる。

工法

◆熱硬化性CFRP

◇ドライカーボンxオートクレーブ法

成形型に予めパターンカットされたプリプレグを配置しておき、一層ごとに真空ポンプで脱気を行い、必要な板厚になるまで積層した後、オートクレーブ炉に入れて高温高圧にて成形する。成形時間は数時間かかる。

樹脂:熱硬化性エポキシ樹脂

中間材:プリプレグ

工法:冷間成形(真空引き等)→オートクレーブ(高温高圧炉)

 

◇PCM (Pre-preg Compression Molding)工法

プリプレグやSMCシートを高圧圧縮する熱プレス成形法。

速硬化型エポキシ・プリプレグは、金型温度を定温に保つことができるため、型温度の加熱・冷却を繰り返す熱可塑性の熱プレス成形よりも簡易なシステムで済み、RTM法に比べて作業工数が少なく、サイクルタイムは180秒で成形できる。

樹脂:熱硬化性エポキシ樹脂

中間材:プリプレグ、SMCシート(繊維長10~50mm)

工法:熱プレス

 

RTM(Resin Transfer Molding)工法

炭素繊維織物を金型内に置いた後に熱硬化性樹脂を含侵して加熱硬化する方法。高価なプリプレグを使用しない成形法。特殊な注入ユニットと専用の高速硬化性樹脂を用い、主剤と硬化剤を衝突混合させ、そのまま高圧で連続繊維に注入・含浸させる。含浸と硬化時間が大幅に短縮され、300秒でのハイサイクル成形が可能。高強度なCFRPが成形できる。

樹脂:熱硬化性エポキシ樹脂

中間材:炭素繊維織物

工法:複合工法(インジェンクション+熱プレス)

 

◆熱可塑性CFRTP

◇射出成形

数㎜長の炭素短繊維を含有したペレットを使用し、通常の射出成形機で成形できる。成形時間は30秒前後。

樹脂:ペレット(炭素短繊維+熱可塑性樹脂PPなど)

中間材:なし

工法:射出成形

 

LFT-D工法(Long Fiber Thermo plastics-Direct

炭素連続繊維と熱可塑性樹脂ペレットから直接押し出して素材を製造し、高速プレス成形する新工法。成形時間は60秒以内。

樹脂:熱可塑性樹脂PAなど

中間材:押し出し材(炭素連続繊維+熱可塑性樹脂)

工法:熱プレス

 

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