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Biomechanics Laboratory

樹脂不織布付多軸多層クロスを用いたCFRTPの成形

同志社大学 生命医科学部 医工学科 教授 田中和人

新技術説明会

2011年11月22日 大阪国際会議場

ktanaka@mail.doshisha.ac.jp 炭素繊維強化樹脂基複合材料（CFRP）

利点

高比強度，高比剛性

疲労特性に優れる

欠点

高価

炭素繊維強化樹脂基複合材料（CFRP）の利用

航空機産業，軍需産業

レーシングカー

スポーツ用品（ゴルフクラブのシャフトなど）

ktanaka@mail.doshisha.ac.jp

量産自動車へのCFRPの適用

石油資源の枯渇問題・価格高騰

環境問題

CO2排出規制

量産自動車の燃費向上が必要不可欠

車体軽量化

課題

コスト

成形方法：1 min /部品

素材

0 500 1000 1500 2000 25000

100

200

300

Weight kg

CO

2 e

mis

sio

n

g/k

m

車両重量別二酸化炭素排出量 国土交通省20年度自動車燃費一覧より

ktanaka@mail.doshisha.ac.jp

課題解決のために

熱可塑性樹脂の適用

成形サイクルの短縮

連続繊維の利用

強度向上

ハンドリングに適した樹脂供給方法の開発

成形方法の開発

特許

特許出願

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マトリックス樹脂

熱可塑性樹脂に対する期待

常温における形態

特徴 代表例

熱可塑性樹脂

固体

（粉体，ペレット状，フィルム状）

高いじん性値

リサイクル可能

短い成形サイクル

ポリアミド

（ナイロン）

ポリプロピレン

熱硬化性樹脂

液体

長い歴史があり材料データが豊富

硬化反応時間が必要（成形サイクルが長い）

エポキシ樹脂

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Injection part

Mixing and

Plasticization part

Hopper

Mold

Mixing and

Plasticization part

Hopper

Injection part

Mixing and

Plasticization part

Hopper

Mold

Mixing and

Plasticization part

Hopper

Injection part

Mixing and

Plasticization part

Hopper

Mold

Mixing and

Plasticization part

Hopper

ガラス繊維 PP

＋

＜特徴＞

• 1プロセスで断続的に生産

• 良好な成形品表面精度

• 複雑な形状の成形が可能

＜課題点＞

・成形過程で生じる繊維折損

・繊維配向や繊維長分布による物性変化やソリの発生

・成形品ウェルド部での物性低下

＜プリプランジャー式射出成形機＞

含浸

長繊維ペレット

10～20mm

3～5mm

短繊維ペレット

射出成形（Injection Molding）

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Glass fabric

PP

GMT Glass fiber

Needle

熱可塑性樹脂基複合材料の成形法

圧縮成形

加熱

プレス： プレス圧 20-30MPa

素材: GMT(Glass mat

reinforced thermoplastic)

欠点:

厚い素材を溶かすため，素材表面は過加熱

高いプレス圧

Heating Moulding

IR heater

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ノンクリンプファブリック(NCF)

Multi-axial multi-ply fabric

(MMF)

Non-crimp stitched fabric (NCF)

利点

正確な積層

織物と比べて

• 優れた樹脂含浸

• 優れた機械的特性

Carbon fiber Stitching

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樹脂の供給方法

Co-weaving

Powder

Commingled Yarn

Film stacking

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フィルムと不織布

樹脂フィルム

高い剛性

不織布

マスク，おむつ，食品関連

変形の柔軟性

目付のコントロールが容易

Non-woven fabric

Nozzle

Melting resin

Melt-blowing process

ktanaka@mail.doshisha.ac.jp NSMC (Nonwoven Stitched

Multiaxial Cloth )

Nylon 6 nonwoven fabric

Carbon fabric

Stitching Carbon multi-fabric

Sting

Carbon multi-fabric

Polyamide 6

non woven fabric

不織布付多軸多層クロス

Carbon & PA6 (Non-woven

Stitched Multi-axial Cloth: NSMC)

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不織布付多軸多層クロス (NSMC)

特許第３９４７５６０号

繊維強化熱可塑性複合材料の成形方法 および、その中間体 および 複合シート

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熱可塑複合材料の成形

高速成形システムの開発

不織布付多軸多層クロス

Carbon & PA6 (Non-woven

Stitched Multi-axial Cloth: NSMC)

電磁誘導急速加熱・冷却システム

(Induction Heating system: IH

system)

成型品の機械的特性評価

+45°

-45°

Carbon fiber

Polyamide 6

non-woven fabric

IH system

ktanaka@mail.doshisha.ac.jp 電磁誘導加熱を用いた

急速加熱・冷却システム

IH system: Roctool Cage system®

電磁誘導加熱（Induction Heating)による型表面のみの加熱

表皮効果の利用

電磁誘導加熱

ktanaka@mail.doshisha.ac.jp High-speed processing using

electromagnetic induction

電磁誘導加熱（Induction Heating)による型表面のみの加熱，

熱容量が少ないので速い冷却速度，短い成形サイクル

型表面の温度履歴

Inductor

Cooling

water

Induction

Heating

system

IH system

0 30 60 90 120 150 180 2100

50

100

150

200

250

300

Tem

pera

ture

( C

)

Time (s)

ktanaka@mail.doshisha.ac.jp

ホットプレスとIH Systemの比較

電磁誘導加熱：型表面，炭素繊維

NSMCは電磁誘導加熱に適した材料

IH system

All dimensions

are in mm

Hot press

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成形方法による比較

ホットプレス成形機

電磁誘導加熱を用いた急速加熱・冷却システム

25C → 250 C 56min

0 10 20 30 40 50 600

50

100

150

200

250

300

Time (min)

Tem

pera

ture

( C

)0 30 60 90 120 150 180 210

0

50

100

150

200

250

300

Tem

pera

ture

( C

)

Time (s)

ktanaka@mail.doshisha.ac.jp

Specimen

Holding

time at

maximum

temperature

(s)

Process Vf (%)

Moulding

pressure

(MPa)

Maximum

temperature

(C)

IH-1 0 IH system

49 2.0

250

IH-2 30

IH-3 60

HP-1 120 Hot press

HP-2 300

HP-3 600

HP-4 300 4.0

成形条件

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0 60 120 180 240 300

50

100

150

200

250

300

Tem

pera

ture

( C

)

Time (s)

Specimen C–1

Specimen C–3

30sec

60sec

Specimen C–2

50

100

150

200

250

300

2 min

5 min

60 min

Specimen D–1

Specimen D–2

preheat time

Tem

pera

ture

( C

)

IH system Traditional hot press method

Specimen Hold time (s) Method Stacking sequence

IH-1 IH-2 0 30 IH system

[0/+45/90/-45]2S

IH-3 60

HP-1 HP-2 120 300 Hot press

HP-3 HP-4 600 300

温度履歴

IH-1

IH-3

IH-2

HP-1

HP-2

HP-4

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曲げ試験

電磁誘導加熱では30

秒の温度保持時間で樹脂含浸

ホットプレスでは高い成形圧力が必要

電磁誘導加熱を用いるとホットプレスに比べて短い成形サイクルで成形可能

0 30 60 120 300 600 300

0

100

200

300

400

500

600

700

IH–1

Be

nd

ing

str

en

gth

M

Pa

IH–2 IH–3 HP–1HP–2 HP–3HP–4

Holding time at maximum temperature

(s)

Higher moulding

pressure (4 MPa)

ktanaka@mail.doshisha.ac.jp 高周波直接通電抵抗加熱を用いた

熱可塑複合材料の成形法の開発

電磁誘導加熱成形法(IH system)

課題

・金型を囲むコイルが必要

・消費エネルギーが大きい

コスト大

高周波直接通電抵抗加熱

Electrical current

Skin effect

表皮効果で金型表面を加熱

ktanaka@mail.doshisha.ac.jp 高周波直接通電抵抗加熱を用いた

熱可塑複合材料の成形法の開発

発明の名称：樹脂成形装置及び樹脂成形方法

出願番号：特願2011-503848

公開番号：WO2010/104129

片山傳生，田中和人，桑原秀行

高周波直接通電抵抗加熱パイプ成形法の開発

0 1 2 30

0.5

1

Ele

ctr

ical

en

erg

y[k

Wh

] Induction heating

Direct resistance heating

Pressure

CFRTP

pipe

Outer mould

Inner mould

NSMC

Inner mould

Silicon rubber tube

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既存材料との比強度・比剛性比較

0 2 4 6 8 100

50

100

150

FRPSteelAlMgTi

UDCarbon/Epoxy Vf:60%

UDGlass/Epoxy Vf:52%

Biaxial CF/PCVf:49.4%

Biaxial CF/PAVf:55.1%

Biaxial CF/PPVf:51.3%

Steel(390MPa)

Steel(1480MPa) Duralumin(A2017–T4)

Extra super duralumin(A7075–T6)

A5083–O

A6061–T6

Specific molulus (E/ )

Sp

ecific

str

en

gth

(

)

x103

x106

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お問い合わせ先

同志社大学リエゾンオフィス

産学連携コーディネーター

一井 啓良（いちい よしあき）

Tel : 0774-65-6223 Fax : 0774-65-6773

E-mail : jt-liai7@mail.doshisha.ac.jp

同志社大学 生命医科学部 医工学科 教授

田中 和人

E-mail : ktanaka@mail.doshisha.ac.jp