成果報告書詳細
管理番号20110000000815
タイトル平成21年度~平成22年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 高効率CFRP製造技術の研究開発
公開日2011/7/28
報告書年度2009 - 2010
委託先名東レ株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名エネルギー対策推進部
和文要約本研究開発では従来検討されることの少なかったCFRPの製造方法自体のエネルギー効率改善を目的とし、具体的には、RTM製造プロセスにおけるプリフォーム賦形工程の省エネルギー技術を開発した。
(1)プリフォーム賦形工程のエネルギー低減技術の開発
RTM製造プロセスでは、成形工程の前に炭素繊維基材を製品形状に賦形するプリフォーム賦形工程を必要とする。通常の基材には形状固定機能がなく、三次元形状を形成しても形状保持することができないため、炭素繊維基材に熱可塑性樹脂からなる固着材を付着させており、この熱可塑性樹脂固着材が基材同士を結合し固定させることで三次元形状を保持している。従来のプリフォーム賦形工程では、熱可塑性樹脂固着材を一定時間加熱して溶融させ、その後に冷却して固化させる必要があり、長時間かけて賦形型を昇降温することに特に多大のエネルギーを消費していた。本研究開発では、(a)超音波溶着技術、(b)誘導加熱技術、の二通りの新規高速固着技術について検討した結果、プリフォーム賦形工程のエネルギー低減技術として、誘導加熱による直接加熱方式を選定して高効率プリフォーム実証装置を製作した。
(a)超音波溶着技術の検討
・固着材として熱可塑性樹脂を主成分とする粉体を表面に付着させた炭素繊維織物基材を複数枚積層し、超音波溶着機によって挟み込んで発振することで固着材を瞬間的に溶融、固化させ、積層した基材同士の固着が可能であることを確認した。
・超音波溶着による三次元モデル形状の固着を検討した結果、多少の高低差があっても、斜面、曲面、凹凸面を固着可能であるが、ベース治具には押付方向に対して垂直となる面が必要であることが分かった。
(b)高速昇降温技術の検討
・高周波誘導加熱によって固着材として熱可塑性樹脂を主成分とする粉体を表面に付着させた炭素繊維織物基材を直接加熱し、固着剤を溶融、固化させることによって炭素繊維織物基材同士の固着が可能であることを確認した。
・炭素繊維織物基材の加熱に適した高周波誘導加熱の発振周波数を検討し、発振周波数15~40kHzの高周波誘導加熱試験装置を導入した。
・高周波誘導加熱による三次元モデル形状の固着を検討するために、誘導加熱による炭素繊維プリフォームの加熱条件を検討し、三次元形状コイルおよび治具を設計製作した。
(2)トリミング工程レス化技術の開発
成形工程の後のトリミング工程では、製造したCFRP成形品の成形バリや不要部分をトリミングすることで最終製品に仕上げており、NC加工装置やウォータージェット加工装置などの大掛かりな設備が必要となっていた。このような多くのエネルギーを消費するトリミング工程を撤廃し消費エネルギーを低減させるために、プリフォーム賦形工程でプリフォームを最終製品形状と同等に精度良く作製する技術として、ハサミやカッターなど接触式工具を用いない、トリミング工程レス化技術の開発を実施した。
・レーザー加工によって炭素繊維織物基材の非接触切断加工が可能であることを確認した。
・炭素繊維織物基材のレーザーによる切断加工においては、レーザーの出力よりもエネルギー密度(単位面積当たりのエネルギー)の影響が大きいということを見出し、より高いエネルギー密度が得られるレーザー加工機として、レーザー媒質にディスク状のYAGを用いたディスクレーザーを導入し、炭素繊維プリフォームの切断技術を確立した。
・接触切断加工と非接触切断加工(レーザー加工)を比較した結果、非接触切断加工の方が高い切断精度が得られることを確認した。
英文要約Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) has been widely used in aerospace, automotive, and other application fields because of its high specific strength and high specific modulus compared with conventional metals.
In this project, we develop the high efficiency production technology of CFRP, in particular, the energy-saving technology for the preforming process in RTM method.
(1) Development of energy-saving technology for preforming process
a) Examination of adhesive technology for carbon preform by ultrasonic welder
- We confirmed that carbon cloths with binder made from thermoplastic resin were adhered to each other by ultrasonic welder.
- We examined various oscillation frequencies to find the suitable range for the adherence between the carbon cloths, and we introduced a new ultrasonic welder whose oscillation frequency is 20 kHz.
- We designed and produced three-dimensional shape horns and the jig to examine adherence of the 3-D model shape by the ultrasonic welder.
- With a quantitative evaluation method of the adherence strength between the carbon cloths adhered by ultrasonic welder, we examined the peeling adhesive strength and the shear adhesive strength.
- As a result, we found that the ultrasonic welder could adhere the carbon cloths that have slope face, curved surface, and concave-convex surface, but the surface perpendicular to the pressing direction was needed in base jig.
b) Examination of adhesive technology for carbon preform by high frequency induction heating
- We confirmed that carbon cloths with binder made from thermoplastic resin were adhered to each other by high frequency induction heating.
- We examined various oscillation frequencies to find the suitable range for the adherence between the carbon cloths and we introduced the new equipment of high frequency induction heating whose oscillation frequency is from 15 kHz to 40 kHz.
- We designed and produced three-dimensional shape coils and the jigs to examine the adherence between the carbon cloths with the three-dimensional shaped by high frequency induction heating.
c) Development of high efficiency preforming process
- We designed and produced the automatic preforming equipment that makes preforms with three-dimensional shape.
- As a results of researches about the novel high-speed adhering technologies; a) ultrasonic welder, b) high frequency induction heating; we selected the direct heating method with induction heating as the energy-saving technology for preforming. And then we developed the high efficiency preforming demonstration equipment.
(2) Development of net-shape preforming technology
a) Examination of cutting technology by laser
- We confirmed whether the non-contact cutting process of the carbon fiber preforms is possible by laser cutting equipment.
- We found that the power density of laser beam is more important than the total power of laser beam in laser cutting process of carbon fiber preforms.
b) Development of net-shape preforming process
- We examined several laser oscillators to find a suitable way for laser cutting process of carbon fiber preforms, and we introduced diode-pumped disk laser cutting equipment.
- We compared the non-contact cutting process (laser) with the common contact cutting process, and then we found that non-contact cutting process gave the higher accuracy cutting surface.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る