CFRPの成形方法

CFRPの成形方法には、オートクレーブ、RTM、プレス、SMC、シートワインディングといった様々な成形方法があります。樹脂の種類や中間基材、形状、コスト、数量、品質など、製品に求められる要求特性によって、最適な成形方法を選定する必要があり、設計段階で成形方法を含めた計画を立てることが重要です。CFRPの持っている特性を十分に引き出し、安定した品質を保つため、成形方法の特長や工程を十分に理解する必要があります。

オートクレーブ成形

オートクレーブ(圧力容器)を用いて、強化材となる炭素繊維に樹脂が含侵されたプリプレグと呼ばれるシート状の中間材料を使用し、加熱・加圧・真空引きをしながら樹脂を硬化させる成形法。
所定の形状にカットしたプリプレグを、設計された所定の位置/方向に必要枚数を積層します。その際に層間に空気が残らないようにすることがポイントです。そのため、フィルムバックで覆い、内包された空気を吸引、かつ、フィルム内を真空化状態とすることで積層したプリプレグの型への密着性を高めます。その後、オートクレーブ内で加熱・加圧しながら、真空吸引を継続し、成形品の中から空洞(ボイド)を極力取り除くことにより、高品位な成形品が得られます。オートクレーブでは昇温/降温含めて約1~8時間程度の時間を必要とし、製造コストが高くつきますが、材料、形状など設計の自由度が高く、CFRPの特長や性能を最も引き出しやすい製法と言えます。

オートクレーブ成形

RTM(レジン・トランスファー・モールディング:樹脂注入)成形

強化材となる炭素繊維の基材(織物などの中間基材)を金型内に設置した後、樹脂を注入して硬化させる成形法。
炭素繊維の織物を所定の形状に裁断し、設計された位置/方向に必要量を配置して、製品形状に予備賦形された状態のプリフォームと呼ばれる中間基材を、雄雌一体の金型内へ配置し、樹脂と硬化剤を混合しながら高い圧力で金型内へ注入します。繊維間に樹脂を流して型内に樹脂を充填させながら加熱し、硬化させ成形品を得ます。プリプレグを使用したオートクレーブ成形品に比べ樹脂の使用量が多くなる傾向になります。
比較的安定した品質が得やすく、金型を使用することもあり量産に適した成形法で中規模程度の生産量に向いています。面形状など比較的シンプルなな形状(自動車のフードやルーフといった外板など)に採用されています。
また、RTM成形の一種ですが、樹脂の注入方法が異なるVaRTM(バキュームアシスト)成形などがあります。

RTM(レジン・トランスファー・モールディング:樹脂注入)成形

VaRTM(バキューム・アシスト・レジン・トランスファー・モールディング:真空補助樹脂注入)成形

VaRTM(Vacuum assisted Resin Transfer Molding)とは、上型を使わず下型だけを使用し、上面はフィルムバックで覆い、圧力ではなく真空吸引の力を利用して樹脂を含侵させる成形法。
真空引きを利用することにより上型を無くすことができ、また型に負荷される力も減るため、金属ではない樹脂製や木工製の型の使用が可能になり型自体が安価に出来るメリットがあります。また、型の製作期間も短縮することが可能となります。結果的に型が軽くなるため、型の取り扱いも楽になり、このことが、RTM成形法より、大きいサイズの成形品に適用できる理由となっています。

VaRTM(バキューム・アシスト・レジン・トランスファー・モールディング:真空補助樹脂注入)成形

プレス成形

あらかじめ加熱しておいた金型にプリプレグやSMC基材、BMC基材等の中間基材を入れ、プレス機によって加圧しながら硬化させる成形法。
金型を使用するため、比較的寸法精度の高い成形品を得ることができます。また、成形時に昇温、降温を行わないため、オートクレーブ成形などに比べ、成形サイクルを短縮することが可能です。ただし、プレス機を使用するため、成形品の形状が設計制約されることが多いです。

プレス成形

SMC(シート・モールディング・コンパウンド)成形

SMC(シート・モールディング・コンパウンド)とは、シート状に重ねられたSMC基材を金型内に配置してプレス機によって加圧流動させる成形方法。
SMC基材は、強化材となる炭素繊維を長さ10~50mm程に裁断し、樹脂、硬化剤、内部離型剤などを混合した樹脂ペーストに含浸させ、さらに加熱し増粘させたシート状の中間基材です。SMC成形は、そのSMCシートを、裁断、計量して、金型にチャージして、さらに加圧加熱し硬化させ成形品を得る成形法です。
成形サイクルが短く大量生産に適しており、基材を流動させることでリブ、ボス、インサート、ネジ等の同時成形が可能です。だだし、強化材を裁断して使用することから、他の成形方法に比べ、剛性、強度など物性が低く、強化繊維となる炭素繊維の優位性を完全に発現させることはできません。

SMC(シート・モールディング・コンパウンド)成形

シートワインディング成形

マンドレルと呼ばれる芯金にプリプレグ(強化材となる炭素繊維に樹脂が含侵されたプリプレグと呼ばれるシート状の中間材料)を巻き付けた後、さらに熱収縮テープを巻き付け、マンドレルごとオーブンに入れて加熱・硬化させる成形法。比較的、肉厚が薄いパイプ形状を作るのに適した成形方法であり、ゴルフシャフトや釣竿などで採用されています。
プリプレグを種類や繊維配向を設計に従いながら順に巻き重ねて積層しますが、これがSW成形の最も得意とする技術のひとつです。主に0度・90度・45度方向にプリプレグを巻きつけていきますが、この組み合わせによって様々な特性を持ったパイプを創ることができます。工程が複雑になりますが、マンドレルを変えることにより、様々な断面形状のパイプを製造することもできます。

シートワインディング成形

フィラメントワインディング成形

炭素繊維の束(トウ)を引き揃え、樹脂槽の中に通して樹脂を含侵させた後、回転するマンドレル(芯金)にテンションを掛けつつ、所定の角度で連続して巻きつけた後、マンドレルごとオーブンに入れて加熱・硬化する成形方法。
硬化後、マンドレルを抜き取る方法と、圧力容器など金属製容器に炭素繊維を直接巻き付けて硬化させ、そのまま使用する場合があります。
パイプ状製品の成形に適しており、繊維配向コントロールが容易であることから、パイプの軸方向と周方向への強度を調整することができます。また、連続した強化繊維を使用できることから、機械特性に優れた成形品を得ることができます。

フィラメントワインディング成形

連続引抜き(プルトルージョン)成形

炭素繊維の束(トゥ)を低速(30~300cm / min.)でボビンから引き出し、樹脂槽の中を通して含侵させてから金型に引き込むと当時に加熱(80~160℃)し、金型を通過する間に連続的に硬化(30~300秒)させながら引き抜きます。引抜ながらカッターなどで切断したり、巻き取り装置で巻き取ったりして、一定の長さの成形品を連続的に製造する成形法。 丸棒や角パイプなど一様な断面形状の物を成形するのに用いられます。

連続引抜き(プルトルージョン)成形

射出(インジェクション)成形

熱可塑性樹脂と短くカットした炭素繊維が混錬されたペレットを加熱融解して金型内に射出注入、冷却して硬化させる成形法。
ペレットをプランジャー内に入れ、スクリューの動きにより一定量のペレットが噛み込まれて加熱溶解され、金型の空洞(キャビティ)中に射出(押し込む)して成形し、金型内で冷却されて硬化した後、成形品を取り出します。 ペレットを使用する為、成形自由度が高く複雑形状の製品が可能で、一般的な樹脂単体の射出成形品に比べ強度や剛性は高くなりますが、炭素繊維が長いまま成形する方法(オートクレーブ成形、RTM成形)よりも強度や剛性はかなり劣ることになります。
小型部品を大量生産するのに適した成形方法で、自動車部品や産業設備の部品に使われており、ノートパソコン筐体を成形する際にも用いられます。

射出(インジェクション)成形