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ふさこかに
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1 論文長野県工技センター研報 No.12, p.p1 P5 (2017) 熱可塑性炭素繊維強化プラスチックのプレス成形 * 上条和之 * 1 山岸光 * 2 長洲慶典 * 1 飯田祐介 * 1 柏木章吾 * 3 Press Forming of Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics Kazuyuki KAMIJO, Hikaru YAMAGISHI, Yoshinori NAGASU, Yusuke IIDA and Shogo KASHIWAGI 航空宇宙自動車等では, 軽量化の要求により, 炭素繊維強化プラスチック (CFRP) の用途が拡大している量産に対応するためには, コストダウンと短い生産サイクルの実現が不可欠であり, 熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維強化プラスチック (CFRTP) が注目されているそこで,CFRTPのプレス成形性を検討するため, 連続繊維材料と立体成形が可能なマット材を用い金属用穴抜き金型, 絞り金型による加工を行い, プレスを用いた成形加工技術の確立のための技術蓄積を行ったキーワード : 熱可塑性炭素繊維強化プラスチック, マット材, プレス成形, 絞り 1 緒言航空宇宙や自動車等の分野では, 軽量化のため軽くて強度の高い材料が望まれていることから, 航空機や人工衛星などの航空宇宙分野を中心に, 炭素繊維強化プラスチック (CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics) が多く使用されている近年, 自動車でも量産車のモノコックボディ, バックドアインナー等に適用され 1), 今後もさらなる適用範囲と用途拡大が見込まれている現在, 航空機や自動車に多く使用されているのは, 信頼性が高く, 性能の良い熱硬化性樹脂を用いたCFRPであり, 改良され以前より短時間での成形が可能となってきたが, 量産自動車への適用のためには十分でないさらに短い生産サイクルの実現やリサイクル性のため, 熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維強化プラスチック (CFRTP:Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics) による方法が検討されている連続繊維によるプレス成形は, 金属のプレス成形と似ており取り組みやすいしかし, CFRTPのような複合材料の加工特性は, 金属の加工特性とは異なるため, 金属の加工技術をそのまま活かすことができないそこで, サーボプレスによりCFRTPのプレス特性を評価し, 新たな加工技術の開発を支援する必要があるまた, 量産へ向けた動向として, コスト低減のため不連続繊維と樹脂を混ぜて直接プレスする方法や部品点数の大幅削減と複雑形状成形のため, 一つの金型でプレス成形と射出成形を組み合わせたハイブリッド成形 2, 3) が * 特別研究 * 1 加工部 * 2 加工部 ( 現技術連携部門 ) * 3 材料技術部門材料化学部検討され, 実用化されてきている炭素繊維織物を基材としたCFRTPシートのプレス成形品は織物に流動性がないためリブやボス等の立体形状の成形は困難である短繊維を基材としたCFRTPマット材を用いることにより, プレスのみで立体形状の成形が可能となるそこで, 連続繊維 ( 織物 ) シートに加え, 短繊維 ( マット材 ) シート及びそれらのハイブリッド材料の材料特性, 穴あけ, 絞り加工のプレス成形性評価を行ったので報告する 2 実験方法 2.1 マット材マット材実験には, 阿波製紙製 CARMIX CFRTPマット ( 樹脂 : ポリプロピレン (PP), 目付 120g/cm 3, 厚さ約 1mm, 炭素繊維体積含有率 (Vf )30%) を使用したこのマット材の特徴は, 湿式抄紙技術により繊維長約 6mmの不連続炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を抄き込んだマット状の複合材料であるため, 繊維方向による異方性のない等方性材料であり, 熱圧成形加工により曲面, リブボス等の立体形状に成形が可能なことであるマット材の熱特性について示差走査熱量計 ( 島津製作所製 DSC-50) により評価を行った加熱速度は20 /min としたシート成形シート成形は,1 辺 80mmの正方形に切断したマット材を10 枚重ね, フッ素樹脂シートで挟み, 温度 180, 保持時間 180s, 圧力 9.81,7.35,4.90,1.96,0.98MPaの条件でプレートプレス ( 東洋油圧機械製 HPH ) により熱圧成形した保持時間経過後, 荷重をかけたまま空冷し, 100 以下に冷めたところで取り出した - P 1 -

マット材の強度を向上させるため, 織物材による補強材を作製した補強材は, 一村産業製スタンパブルシート CF-SS(3K 平織,PP,Vf 約 50%,1 層, 板厚 0.

mとなるよう, 片面貼付サンプルではマット材を8 枚, 両面貼付サンプルではマット材を6 枚重ね, 温度 200, 保持時間 18

3 特性評価シート成形したマット材及び補強材を80mm 10mm に切り出し, 三点曲げ試験を行った試験機には万能試験機 ( 島津製作所製オートグラフAG-100kN AC) を使用した比較材には, 一村産業製スタンパブルシート CF-SS(3K 平織,PP,Vf 約 50%,5 層, 板厚 1mm) の織物材を用いた織物材の切り出しと曲げ試験時の設置は,

2 マット材の強度を向上させるため, 織物材による補強材を作製した補強材は, 一村産業製スタンパブルシート CF-SS(3K 平織,PP,Vf 約 50%,1 層, 板厚 0.2mm) を使用し, マット材の片面または両面に配置したシート成形後の厚さが1mmとなるよう, 片面貼付サンプルではマット材を8 枚, 両面貼付サンプルではマット材を6 枚重ね, 温度 200, 保持時間 180s, 圧力 7.35MPaの成形条件によりシート成形を行った特性評価シート成形したマット材及び補強材を80mm 10mm に切り出し, 三点曲げ試験を行った試験機には万能試験機 ( 島津製作所製オートグラフAG-100kN AC) を使用した比較材には, 一村産業製スタンパブルシート CF-SS(3K 平織,PP,Vf 約 50%,5 層, 板厚 1mm) の織物材を用いた織物材の切り出しと曲げ試験時の設置は, 炭素繊維織物の緯糸が長手方向となる方向とした 2.2 CFRTPシートの穴あけ加工実験 CFRTPシート実験に使用したCFRTPシートは, 前節の実験と同じマット材と板厚 0.2mmの織物シートを使用し,1 辺 40mmの正方形に切り出しブランクとしたシート成形条件は, 温度 200, 保持時間 180s, 圧力 7.35MPaとしたシート成形後の厚さが2mmとなるよう, マット材を20 枚, 補強材としての織物 1 枚とマット材を18 枚積層し, シート成形した加工機及び加工方法本実験には, 放電精密加工研究所製サーボプレス (ZEN Former nano MPS430UD) を使用した最大加圧能力は 294kNである外観を図 1に示す金属用穴あけ金型により穴あけ加工実験を行った使用した金型を図 2に示すパンチ径 18.0mm, ダイ径 18.1mm, 板押さえ圧力 3.2MPa, パンチ形状は平頭, 加工速度 5,1mm/sとしたクリアランスは一定とし, マット材と織物による補強材による加工特性の傾向をとらえることを目的とした 2.3 CFRTPシートの絞り実験 CFRTPシート実験に用いたCFRTPシートは, 厚さが約 1mmの一村産業製 CF-SS(3K, 平織,PP,5 層 ),BOND LAMINATES 社製 TEPEX dynalite202(3k, 綾織, ポリアミド6,4 層 ) 及び阿波製紙製 CARMIX CFRTPマット ( マット材, PP) である織物シートは1 辺 80mmの正方形に切り出しブランクとしたマット材をプレートプレスによる熱圧成形することなく加熱した金型に投入し, 絞り加工を行うと樹脂が軟化し壁部で破れる ( 図 3(a)) 金型を加熱しない冷間加工の場合にはしわが生じ, ダイ肩部で破れる ( 図 3(b)) このことからマット材の絞り加工にはプレートプレスによる予備成形品を用いたマット材は,2.1 項にて作製した10 枚積層品と補強材 ( 織物材を片面貼付, 両面貼付 ) を用いた絞り金型実験に用いた金型は, 一般の金属板を深絞り成形する際の金型構成と同じであるが, パンチプレート, ストリッパプレート及びダイプレートにカートリッジヒータを組み込み, 金型内にて加熱可能な構造としたノックアウトはばね内蔵式とした絞り金型の構成を図 4に示すパンチ, ダイ各部の寸法は, パンチ直径 30.00mm, パンチ肩半径 5.0mm, ダイ直径 32.00mm, ダイ肩半径 4.0mm とした離型剤としてケムトレンド社ケムリース70を使用し, 成形前に塗布した金型温度とプレス成形条件金型の加熱は, カートリッジヒータによりストリッパプレートとダイプレートをそれぞれ加熱した温度は, プレート中心部当てたシースK 熱電対の温度コントローラ表示値とした金型温度は, シートの樹脂により PP200, ポリアミド300 とした図 1 サーボプレス外観図 2 穴あけ金型 (a) 壁部の破れ (b) ダイ肩部の破れ図 3 マット材の絞り加工時の代表的な破断例図 4 絞り金型の構成 - P 2 -

シートの加熱は, 金型が設定温度に達した後, 金型に挟み込み60s 保持した保持時間経過後,1mm/sの速度にてスライドを降下させた下死点をプレス荷重により設定した場合, 型が閉じていない構造のため, プレス荷重保持中はフランジ部の樹脂が外側に流れ, フランジ部の板厚は減少し荷重が抜ける下死点は, 金型の底付き位置から板厚分高い位置とした下死点到達後,

4 成形品の肉厚, 内外径測定成形品の肉厚測定位置は, パンチ底部中心部, 側壁ダイ肩半径下の2 箇所としたまた, 側壁の測定位置は, 炭素繊維織物の経糸と緯糸が平行となる方向を0 とし, 0,90,180,270 と45,135,225,315 の各 4 箇所としたパンチ底部は外側マイクロメータ, 側壁はポイントマイクロメータにより測定を行った成形品の内外径測定位置は,

1 マット材の特性評価示差走査熱量計によるマット材の熱特性を図 5に示す吸熱ピークは142 であることを確認した比較のため PPを使用した一村産業製シートの吸熱ピークは171 であり, 同じ熱可塑性樹脂であっても30 も異なり, 成形時の温度設定に影響するため, 評価しておく必要のあることを確認できたシート成形したマット材, 補強材, 織物材の断面観察像を図 6に示す

35MPaの値は3 点の平均値であるマット材の成形圧力が大きくなるに従いシートの厚さは薄くなり, 密度も向上する成形圧力 7.35MPaを超えると板厚, 密度ともに変化がほぼなくなるまた, 成形圧力 7.

3 シートの加熱は, 金型が設定温度に達した後, 金型に挟み込み60s 保持した保持時間経過後,1mm/sの速度にてスライドを降下させた下死点をプレス荷重により設定した場合, 型が閉じていない構造のため, プレス荷重保持中はフランジ部の樹脂が外側に流れ, フランジ部の板厚は減少し荷重が抜ける下死点は, 金型の底付き位置から板厚分高い位置とした下死点到達後, スライド位置を固定したままヒータの電源を切り空冷し, 金型温度が100 以下となったところで成形品を取り出したクリアランスは一定とし, マット材及び織り方の違いによる加工特性の傾向をとらえることを目的とした成形品の肉厚, 内外径測定成形品の肉厚測定位置は, パンチ底部中心部, 側壁ダイ肩半径下の2 箇所としたまた, 側壁の測定位置は, 炭素繊維織物の経糸と緯糸が平行となる方向を0 とし, 0,90,180,270 と45,135,225,315 の各 4 箇所としたパンチ底部は外側マイクロメータ, 側壁はポイントマイクロメータにより測定を行った成形品の内外径測定位置は, 炭素繊維織物の繊維が交差する方向を0 とし,0-180, と45-225, の直交する2 方向とした内径は内側マイクロメータ, 外径は外側マイクロメータにより測定した図 5 CFRTP の熱特性 (DSC) (a) マット材 (b) 片面補強材 ( 上面 ) (c) 両面補強材 ( 上下面 ) (d) 織物材 (3K 平織 ) 3 結果と考察 3.1 マット材の特性評価示差走査熱量計によるマット材の熱特性を図 5に示す吸熱ピークは142 であることを確認した比較のため PPを使用した一村産業製シートの吸熱ピークは171 であり, 同じ熱可塑性樹脂であっても30 も異なり, 成形時の温度設定に影響するため, 評価しておく必要のあることを確認できたシート成形したマット材, 補強材, 織物材の断面観察像を図 6に示すシートの水平方向に繊維が配向していることが確認できるまた, マット材には樹脂の抜けている部分 ( 気泡 ) が存在する強度がばらつく要因と考えられ, 加圧方法, 温度について詳細な検討が必要であるシート成形時の圧力と成形後の板厚, 密度を図 7, 最大荷重, 曲げ強さ, 曲げ弾性率を表 1に示すただし, 補強材, 比較材及びマット材成形圧力 7.35MPaの値は3 点の平均値であるマット材の成形圧力が大きくなるに従いシートの厚さは薄くなり, 密度も向上する成形圧力 7.35MPaを超えると板厚, 密度ともに変化がほぼなくなるまた, 成形圧力 7.35MPa 以上の成形品のシート周辺部からは樹脂が流れ出た荷重が小さいとマット材内部の空気を十分押し出すことができず, 荷重が大きくなるに従い空気が押し出され, 空気を出し切ると樹脂が周囲に流れ出ると考えられる曲げ強度, 曲げ弾性率ともにマット材の成形圧力が高くなるに従い大きくなる成形圧力 7.35MPa 以上では, 図 6 CFRTP シートの断面観察像図 7 マット材のシート成形圧力と板厚, 密度表 1 マット材の材料特性サンプル成形圧力厚さ最大荷重曲げ強さ曲げ弾性率 (MPa) (mm) (N) (MPa) (MPa) マット材 10 枚マット材 10 枚マット材 10 枚マット材 10 枚マット材 10 枚織物 + マット材 8 枚織物 + マット材 6 枚 + 織物 K 平織 (5 層 1mm) 強度, 厚さともに大きく変わらないことから, シート成形圧力は樹脂が周囲から少し流れ出る程度が良いと考えられるまた, 成形圧力が大きい程, 強度が高くならない原因として, 短繊維の偏りによる影響が考えられるマット材の曲げ強さは, 織物材より良い結果を得る条 - P 3 -

件もあるマット材は繊維の方向性がないためと考えられ, 異方性のないことを確認できたマット材の曲げ弾性率は不連続繊維であることもあり, 連続繊維の織物材の1/2 程であるが,

96MPaの成形品が一番大きな値を示した板厚があるためと考えられるが, 製品として成形する場合には, 密度も低く発泡材のような使用法も考えられる 3.

マット材の熱圧成形品はシートの水平方向に繊維が配向しており, 織物の積層材と似た構造であることが原因の一つと考えられる補強材の穴あけは, 表面にある織物部分 ( 厚さ0.

3 絞り加工代表的な加工品の外観を図 9, 加工品の肉厚測定結果内外径測定結果をそれぞれ表 2, 表 3に示す表中の測定値は各所における3 回の測定値の平均値であるマット材を含む加工品の内外径は, 織物材のみの加工品より収縮しており,

実験に用いた金型が金属板の絞り型と同様に型閉じのない構造のため, 加工品の金型に接しない部分の表面に織物の交差による凹凸が生じたが比較的良好な成形ができた ( 図 10(a)) 特に加工品内面の角部では, 繊維の交差している部分が寄り集まる

ボディしわが生じた ( 図 10(c)) 荷重を十分与えた場合には, 一見, 表面は樹脂に覆われ滑らか (a) 平織 (c) マット材 (b) 綾織 (d) 両面補強材図 9 代表的な絞り加工例表 2 絞り加工品の肉厚測定結果 (

939 片面補強材 1.102 0.941 0.953 0.959 両面補強材 1.041 0.883 0.952 0.

4 件もあるマット材は繊維の方向性がないためと考えられ, 異方性のないことを確認できたマット材の曲げ弾性率は不連続繊維であることもあり, 連続繊維の織物材の1/2 程であるが, 連続繊維により補強したハイブリッド材とすることで織物シートと同等の性能とすることができた曲げ試験時の最大荷重は, 成形圧力 1.96MPaの成形品が一番大きな値を示した板厚があるためと考えられるが, 製品として成形する場合には, 密度も低く発泡材のような使用法も考えられる 3.2 穴あけ加工図 8に代表的な切り口面観察像を示す捨て板を重ねた場合のみ, バリは生じたが比較的良好な切り口面を得ることができたその他のサンプルでは, 剥離や毛羽立ちが生じ, 実用的な切り口面は得られなかったマット材の熱圧成形品はシートの水平方向に繊維が配向しており, 織物の積層材と似た構造であることが原因の一つと考えられる補強材の穴あけは, 表面にある織物部分 ( 厚さ0.2mm) は良好な切り口面が得られたが, その下のマット材の部分は, マット材のみの積層材と変わらず, 良好な切り口面は得られなかった 3.3 絞り加工代表的な加工品の外観を図 9, 加工品の肉厚測定結果内外径測定結果をそれぞれ表 2, 表 3に示す表中の測定値は各所における3 回の測定値の平均値であるマット材を含む加工品の内外径は, 織物材のみの加工品より収縮しており, 樹脂の収縮に伴っていると考えられる型に抜き勾配を設定しなかったため, マット材のみの加工品は比較的簡単に型から取り外すことができたが, 織物材と補強材の加工品は収縮が少なく取り外すことが困難であった織物シートの絞り加工では, 実験に用いた金型が金属板の絞り型と同様に型閉じのない構造のため, 加工品の金型に接しない部分の表面に織物の交差による凹凸が生じたが比較的良好な成形ができた ( 図 10(a)) 特に加工品内面の角部では, 繊維の交差している部分が寄り集まる ( 図 10(b)) 織物材を深く絞る場合にはこの点を考慮する必要があるまた, 平織と綾織とでは, 繊維の引き込まれ方の違いを確認することができたマット材の絞り加工では, プレス荷重が低い場合には, フランジしわ, ボディしわが生じた ( 図 10(c)) 荷重を十分与えた場合には, 一見, 表面は樹脂に覆われ滑らか (a) 平織 (c) マット材 (b) 綾織 (d) 両面補強材図 9 代表的な絞り加工例表 2 絞り加工品の肉厚測定結果 ( 単位 :mm) 加工前板厚パンチ底側壁 0 側壁 45 3K 平織 K 綾織マット材片面補強材両面補強材表 3 絞り加工品の内外径測定結果 ( 単位 :mm) 内径内径外径外径 K 平織 K 綾織マット材片面補強材両面補強材 (a) マット材 : 穴 (b) マット材 : ブランク (a) 金型に接しない部分 (b) 成形品内側 (c) 片面補強材 : 穴 (d) 片面補強材 : ブランク (e) マット材捨て板 : 穴 (f) マット材捨て板 : ブランク図 8 穴あけ加工による切り口面 (c) フランジ, ボディしわ (d) 高荷重負荷時のフランジ図 10 絞り加工品の代表的な不具合例 - P 4 -

であるが, 詳細に観察するとしわの溝部分に樹脂が入り込んでいることが確認できた ( 図 10(d)) この繊維と樹脂の偏りが強度に影響する可能性がある補強材の絞り加工では, 織物の絞り加工時の繊維の引き込みに合わせ, マット材も途中で切れることなく引き込まれたマット材を使用した絞り成形品に共通していることとして, 成形温度やプレス荷重により各部の肉厚が変わる

平織,PP,5 層 ) であり,80mm 60mmに切り出しブランクとした 4.

5 であるが, 詳細に観察するとしわの溝部分に樹脂が入り込んでいることが確認できた ( 図 10(d)) この繊維と樹脂の偏りが強度に影響する可能性がある補強材の絞り加工では, 織物の絞り加工時の繊維の引き込みに合わせ, マット材も途中で切れることなく引き込まれたマット材を使用した絞り成形品に共通していることとして, 成形温度やプレス荷重により各部の肉厚が変わる成形品の強度に影響するため注意する必要があるしわは発生するが低温成形し, その後, 高温に加熱し, 樹脂の流動性を高くすることによるしわ消しも有効と考えられるパンチを冷却する等金型の工夫により更に改善ができる絞り加工に要した時間は, 加熱 15~20 分, 成形 2 分, 冷却 30~40 分であった (a)v 曲げ型図 11 樹脂型 (b) プレス型 4 3Dプリンタ樹脂型によるプレス成形への応用 4.1 V 曲げ型とプレス型製品形状に近い成形品評価のため, 金属のプレス成形可能な3Dプリンタによる樹脂型を製作し, 成形実験を行った製作した樹脂型を図 11に示す樹脂型には, 加熱用のカートリッジヒータを組み込めないため, 赤外線ヒータにより外部で200 にCFRTPシートを加熱, プレスまで搬送し成形を行った実験に用いたCFRTPシートは, 厚さ1mmの一村産業製 CF-SS(3K, 平織,PP,5 層 ) であり,80mm 60mmに切り出しブランクとした 4.2 成形結果及び考察成形品を図 12に示す成形品の表面には繊維の凹凸が生じ, 成形後の樹脂型には織物の炭素繊維の凹凸が転写されていた成形品は全体的には樹脂型の形状が転写され良好な形状を得ることができた局所的には炭素繊維の方が樹脂型より強度が高いため, 樹脂型に炭素繊維の形状が転写されたと考えられる大量生産には向かないが, 型の一部を樹脂型にする等多品種少量生産に向くと考えられる 5 結論 CFRTPシートの材料特性評価及び穴あけ加工, 絞り加工によるプレス特性について検討し, プレスによる成形加工技術の確立に向けた技術の蓄積を行った主な結果は以下のとおりである図 12 樹脂型による成形品 (1) 熱圧成形したマット材 CFRTPシートの成形条件による材料特性と織物 CFRTPシートを組み合わせたハイブリッド材の特性について明らかにすることができた (2) 熱圧成形したマット材 CFRTPシート及び織物シートを用い, 穴あけ加工と絞り加工を行ったマット材シートと織物シートの成形性の違い, 加工特性, 注意点等を明らかにすることができた (3) 3Dプリンタ樹脂型による製品形状を想定した成形を行い, 樹脂型の特徴を把握できた今回製作した絞り型ではノックアウト部分が加熱できず, マット材を予備成形なしで成形することができなかった今後, 織物とマット材を組み合わせ, 一回のプレス成形による複雑形状 ( リブ, ボス ) の成形に取り組む等, 更なる技術の蓄積を進める予定である参考文献 1) NSX, プリウスPHVに学ぶ軽量材料活用術. 日経ものづくり.2 月号,p59-66(2017) 2) 軽量化設計に役立つ技術 10 選. 日経ものづくり.4 月号,p65-73(2017) 3) 馬場俊一. 連続繊維熱可塑材料 CFRTP GFRTPと市場動向. 精密工学会誌.81(6),p (2015) - P 5 -

炭素繊維複合糸から成る織物を活用したCFRTP製品の事業化試験

炭素繊維複合糸から成る織物を活用したCFRTP製品の事業化試験炭素繊維複合糸から成る織物を活用した CFRTP 製品の事業化試験株式会社槌屋技術開発本部新製品開発センター松本将和目次 1.CFRP 概要 2. 開発の背景 3. 育成試験内容 4. 結果 5. まとめ 1.CFRP 概要炭素繊維とは鉄と比較して比重 : 1/4 軽い比強度 : 10 倍以上高強度航空機自動車の軽量化に期待される材料年代ごとの炭素繊維使用状況東レ技術資料より炭素繊維の需要は年々高まってきている