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CFRP成形体中の炭素繊維の量や長さ、配向の違いを
迅速にかつ簡便にモニタリングする方法
岐阜大学 複合材料研究センター
工学部 機械工学科(併)
教授 三宅 卓志
岐阜大学 複合材料研究センター
(現:(独)産総研 中部センター)
特任助教 関 雅子
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はじめに(本技術の適用分野)
3
本技術の適用分野ーCFRP
Boeing 787
炭素繊維の需要見通し(帝人資料抜粋)
~2020年●年率15%以上の成長予想●一般産業用途(自動車)が増加
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CFRPの成形法
Boeing 787
自動車 → サイクルタイムの短い、プレスや射出成形に着目
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CFRPの成形体
樹脂流動に伴い繊維も移動
成形法 繊維 樹脂
オートクレーブ 移動させない 流さない
RTM 移動させない 流す
プレス(熱可塑CFRTP) 移動する 流す
射出成形 移動する 流す
繊維状態により機械的特性が変化
プレス・射出成形では、
成形体中の炭素繊維の位置や長さ,状態(分散・配向)が同じかどうか検査することが必要
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MHz高周波IH(電磁誘導加熱)が可能とする新しい検査技術
7
成形体中の炭素繊維の観察,検査ー 従来技術(X線CT)
X線CTスキャン
生産ラインのin-line検査;適用不可
・測定に時間がかかる(数十分~数時間)・測定対象の大きさに制限・装置が高価・解析に専用ソフト;要-オフライン
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・直径6μmの炭素繊維・分散系
高周波IHによる炭素繊維直接加熱
D∆
D:ワークの直径(mm)∆:電流浸透深さ(mm) 高周波IHで効率的に加熱可能
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表面温度は,炭素繊維の状態や伝熱経路の情報を反映
成形体内部の炭素繊維の直接加熱による繊維状態の検出
炭素繊維の直接誘導加熱
MHz帯高周波
炭素繊維
コイル
温度検出装置
加熱時間表
面温
度
(A) (B)
(A)
(B)
10
X線CTとの比較
◎測定時間 : 1/10~1/100◎装置価格 : <1/5◎同一かどうかの判定
:測定と同時◎試料の大きさ:制限なし
生産ラインでのin-line検査;適用◎
従来技術との比較
MHz-IH
◎測定時間 : <1分◎装置価格 : <3,000千円◎同一かどうかの判定
:特殊なソフト不要
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射出成形品への適用例
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三菱レイヨン PYROFIL PELLET(PP-C-10A,PP-C-30A)
●材料
●作製条件
炭素繊維量wt% スクリュー回転数 金型
10% 150rpm 通常
30% 300rpm ウエルド
t=4
電圧 250V電流 9A2MHzコイル径 φ30mm巻数2回
型式:FT-H20(キーエンス)
測定スポット径:6mm
●温度測定(放射温度計)
材料,試験片形状と測定機器
●IH加熱条件
●成形体形状
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①材料(繊維量)の違い
炭素繊維量の違いが検出可能
0
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12
測定
温度
差Δt(℃
)
測定時間(min)
繊維量比較
30%
10%
14
②スクリュー回転速度(繊維長)の違い
スクリュー回転速度により成形体中の繊維長に差
30%150rpm
30%300rpm
X線CT
灰化による繊維長計測
15
②スクリュー回転速度(繊維長)の違い
炭素繊維長さの違いが検出可能
16
③繊維配向の検出
90°回転
試験片配置図
X線CT画像
磁界 磁界
射出方向
(A) (B)
17
③繊維配向の検出
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15
表面
温度
上昇
Δt(℃
)
測定時間(min)
30‐300通常配向
(B) 射出方向 // 磁界
(A) 射出方向 ⊥ 磁界
磁界との相対角度で繊維配向検出可能
18
④ウエルドの検出
磁界との相対角度でウエルド検出可能
90°回転
磁界 磁界
ウエルド (A) (B)
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20
測定
温度
差Δt
測定時間(min)
30‐300ウェルド配向
(A)
(B)
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さらなる適用に向けて(発表当日未記載データを発表します.)
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課題
• IHでは、磁界分布が生じる.⇒ 均一加熱は不可能
熱画像ー差画像による差の生じている位置の特定
加熱が不均一でも,
差画像により差が生じている個所のみを抽出検出可能
試料A
試料B
差画像=(試料Aの熱画像)ー(試料Bの熱画像)
ウエルド
21
測定再現性
0
10
20
30
0 2 4 6 8 10 12
測定
温度
差Δt
測定時間(min)
同箇所同試験片
0
20
40
60
80
100
120
140
0 2 4 6 8 10 12 14 16
測定
温度
差Δt
測定時間(min)
異箇所同試験片
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想定される用途• CFRTP射出成形の製品検査.
• 伝熱経路の差を検出できることに着目すると、ボイド、層間剥離などの非破壊検査に適用可能.
実用化に向けた課題• コイル形状と対象物の関係の整理が必要.
• 一般的な検出技術としては,位置特定や定量が必要.
企業への期待• 電磁シミュレーション技術を持つ企業との共同研究を希望.
• CFRTPの量産化を目指す企業は、本技術の導入が有効と思われる.
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 :炭素繊維強化複合材料の
検査方法および検査装置
• 出願番号 :特願2013-212904(平成25年10月10日)
• 出願人 :岐阜大学
• 発明者 :三宅卓志、関 雅子
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お問い合わせ先
岐阜大学
研究推進・社会連携機構 産官学連携推進本部
知的財産マネージャー 神谷英昭
TEL 058-293 - 3182FAX 058-293 - 3346
e-mail h_kamiya@gifu-u.ac.jp
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