樹脂不織布付多軸多層クロスを用いた - [email protected]...
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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
[email protected] 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）
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
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
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）
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
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
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
[email protected] 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)
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
[email protected] 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
[email protected] 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)
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
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)
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
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
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)
[email protected] 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
[email protected] 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
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
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 : [email protected]
同志社大学 生命医科学部 医工学科 教授
田中 和人
E-mail : [email protected]