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CFRPの材料、成形加工の最新技術と自動車への適用
平成25年度次世代自動車地域産学官フォーラム・技術開発セミナー
~ものづくり技術で拓くモビリティ新産業~
東邦テナックス株式会社
技術開発グループ 新市場開発チーム
梅元禎孝
発表内容
・ 炭素繊維とは
・ 炭素繊維複合材料について
・ 自動車用炭素繊維複合材料の開発
・ 自動車部材への適用
・ 成形技術紹介
・ 終わりに (纏め)
軽い・・・鉄の約1/4炭素繊維の比重は1.8前後。競合素材の比重は、鉄:7.8 、アルミ:2.7、ガラス繊維:2.5。
強い比強度※1は、鉄の約10倍。比弾性※2は、鉄の約7倍。
※1. 比強度・・・引張強度を比重で割った値※2. 比弾性・・・引張弾性率を比重で割った値
その他疲労特性に優れる、錆びない、線膨張係数が小さい(寸法安定性に優れる)、化学的・熱的に安定している、電磁波シールド性・X線透過性に優れる
特長・・・軽くて、強い
炭素繊維とは
PAN系炭素繊維の定義
炭素繊維には、大きく分けてPAN系とピッチ系の二種類があり生産量の95%以上をPAN系が占める(東邦テナックスはPAN系炭素繊維を生産)。PAN系炭素繊維は、特殊なアクリル(polyacrylonitrile)繊維※を原料とし、これを焼成して製造する炭素含有率が90%以上の繊維。 ※プリカーサーと呼称
PAN系炭素繊維 フィラメント数による分類
レギュラートウ (RT) ラージトウ (LT)
フィラメント数 24,000本(24K)以下 40,000本(40K)以上
特徴機械的特性に優れる高品位(毛羽、取り扱い性)
RTに比べ、機械的特性、品位が劣るRTに比べ、低コスト
焼成フィラメント焼成均一に焼成
トウ焼成焼成にムラがある
原料炭素繊維用特殊アクリル繊維(プリカーサー) 衣料用汎用アクリル繊維
用途 航空機、スポーツレジャー、工業用途 汎用工業用途
STS40
UTS50
IMS60
UMS40UMS45
LT
スチールE-ガラス
HTS40
UMS55パラ型アラミド
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 100 200 300 400 500 600
引張弾性率 (GPa)
引張
強度
(MP
a)
テナックス
LTスチール
E-ガラス
パラ型アラミド
航空機
一般産業
高級スポーツ
炭素繊維TENAXⓇ フィラメント性能
STS40
UTS50
IMS60
UMS40UMS45
スチール
GFRP
ステンレス
アルミ
チタン合金
HTS40
UMS55
高張力鋼
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0 50 100 150 200 250 300 350引張弾性率 (GPa)
引張
強度
(MP
a)
テナックス
スチール
GFRP高張力鋼
ステンレス
アルミ
チタン合金
比重 (g/cc)
1.557.82.0
7.8
7.8
2.7
4.5
炭素繊維TENAXⓇ コンポジット性能
繊維角度 0°(一方向)Vf 60%樹脂 汎用エポキシ
CFRP/GFRP
炭素繊維複合材料について
Thermoplastic
重点市場である自動車用途への参入
(Key Words)
低価格/高生産性/高性能/( 大型 )
Thermoset
RTM
FW
RFI
CPM
生産量 (パーツ/年)価
格(10千
円/ハ
゚ーツ)
100 1000 10000 100000100
1000
10000
Conventional RTM
Autoclave
High-cycle RTM
500
5000
Thermoplastic
SMC
自動車用炭素繊維複合材料の開発
Reduction of CO2 emissions
Energy conservation
プリカーサー
織物
フィラメント
チョップファイバー
プリプレグ
F/Wプルトルージョン
オートクレーブ
RTM 等
射出成型
炭素繊維 中間基材 コンポジット
炭素繊維サプライチェーン
Winglet(B737) Outboard & Inboard Flap(ERJ190)
Operation Head
Robot Arm
X-ray Cassette
Front Hood
Roller Shaft
I N B O A R D M A I N F L A P
I N B O A R D A F T E R F L A P
東邦のCFRP量産部品(例)
Helicopter Body
Disc Arm
Rear Spoiler Bus Body
東邦の自動車量産部品(例)
(Toyota LFA)
(Honda NSX)
(Toyota LFA)
(Honda NSX)
(Toyota LFA)
(Honda LEGEND)
(Toyota LFA)
成形 プロセス コスト 性能 生産性
Pre-preg × ○ ×
RFI △ ○ △
RTM ○ △ ○
RFIおよびRTMは、ともに構造材に適用可能な成形プロセスである
・プリプレグ法は信頼性があるが、コストが高く生産性が低い
・RFIは設備費が安価であり、大型成形物の製造に適している
・RTMは3プロセスの中で最も生産性が高い
CFRP加熱 加圧
CF基材(薄目付)
樹脂(固形)
フィルム化 プリプレグ化 積層 バギング オートクレーブ硬化 製品
フィルム化 プリプレグ化 積層 バギング オーブン硬化 製品CF基材(厚目付)
樹脂(固形)CFRP
加熱 CFRP加熱
フィルム化 プリプレグ化 積層 バギング オーブン硬化 製品CF基材(厚目付)
樹脂(固形)
樹脂(固形)樹脂(液状)
加熱 CFRP
プリフォーム 型内セット 樹脂注入 型内硬化 製品
CF基材(厚目付)
樹脂(液状)
プロセス比較
成形技術の紹介
RFI プロセス
セミプレグの設計
樹脂粘度・含浸性制御 (新規樹脂開発)
厚目付NCFの開発
樹脂フィルム セミプレグ レイアップ バギング 真空+加熱
樹脂 (固形)
CFRP
CF 織物(厚目付 NCF)
減圧/熱処理(vacuum)のみで内部欠陥なく、低コストの製品を得るための主要技術
NCF (Non Crimp Fabric)
NCF
樹脂フィルム
樹脂フィルムセミプレグ
未含浸ゾーン
RFI(セミプレグ)の特徴
FRI(セミプレグ)の主要技術
※セミプレグ:部分含浸したプリプレグでRFI成形に用いる材料
CFRP
RTM
FW
RFI
CPM
加熱
成形技術-1. RFI (Resin Film Infusion)
セミプレグによるコンポジット
・内部欠点の少ないコンポジットが得られる
超音波探傷画像 〔青;欠陥あり(未含浸)、赤;欠陥なし〕
・金型面の転写性の良いコンポジットが得られる
外観(意匠性)に優れる
「セミプレグ画像」 「コンポジット画像」
ツール
真空+加熱
脱気脱気
成形物表面
項目 効果
太番手の炭素繊維(24K)によるNCF基材の採用
基材コスト低減
積層工数 削減
セミプレグを用いた
脱オートクレーブ成形
設備投資 低減
大型成型 容易
・RFI技術 は、欧州で既に航空機構造材に適用/採用が進められている
・自動車用途ではスポーツモデルなどの限定車骨格構造に検討されているが、
今後、大型バス・トレーラー、船舶等の大型構造体への適用が期待される
NCFセミプレグを用いたRFI技術 (纏め)
オートクレーブ成形と同等のコンポジット物性も達成
材料
(基材)
セミプレグ
(NCF)
プリプレグ
(NCF)
成形方法 真空バッグ AC*
引張強度 MPa 1,000 980
弾性率 GPa 70 70
曲げ強度 MPa 1,300 1,270
弾性率 GPa 80 80
ILSS MPa 60 60
IPSS MPa 80 80
* AC: Autoclave
真空プリフォーム 樹脂 過熱(加圧)
織物、NCF 3D-プリフォーム
硬化脱型(機械加工)品質確認
RTM 開発
樹脂拡散
( 3 )
硬化
( 5 )
脱型
( 1 )
プリフォームセット
( 1 )
成形サイクル例 (分)
<RTMの利点>
高生産性
設備投資費用の抑制
良好な意匠性
CFRP
RTM
FW
RFI
CPM
成形技術-2. RTM (Resin Transfer Molding)
バインダ
層内
層間
交織
ステッチ
繊維状
粉体
半固形
格子ネット
不織布
熱可塑性樹脂
熱硬化性樹脂
熱硬化性樹脂
プリプレグ用樹脂
RTM技術 – プリフォーム -
・ 高目付NCFをベースに、ステッチ条件を最適化し、賦形性の良いプリフォーム材料を開発
・ 種々のバインダータイプを開発 ※LFA:指定材料 使用
・ NCFパウダープリフォーム材料の量産供給体制を構築
・ 2m幅で連続供給可能
【プリフォーム材に求められる要件】
・形態安定性が高い(移動可能)
・樹脂含浸性に優れる
・簡単に賦型/作製が可能
(低コスト、高生産性)
自動車パーツ試作品
NCF生産設備
RTM技術 –マトリックス樹脂-
自動車パーツ試作品
00.2
0.40.6
0.8
1
0 1 2 3 4 5
経過時間[min]
粘度
[dPa
・s] 94℃
97℃100℃
02468
101214
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10経過時間[min]
Log
Ion
visc
osity
0
20
40
60
80
100
120
温度
[℃]
・ 炭素繊維と接着性良好な速硬化性樹脂を開発
・ 100℃の成形条件下において、可使時間 3分を達成
(粘度3poise 以下を 3分以上)
・ 100℃の成形条件下において、5分で硬化する速硬化樹脂を開発
・ 弊社汎用プリプレグ同等のCFRP物性を達成
CF
樹脂
CF/樹脂界面 SEM写真
RTM技術 – コンポジット -
樹脂
Low-Cost
※800×1800mmで任意の15点で測定
項目 Μ(mm) σ
単品評価
(1sample X 15data)
0.99 0.03
複数評価
(50sampleX15data)
0.99 0.04
● 速硬化性樹脂を実用化
● RTM生産技術を構築
≫ 高外観; 最適成形条件/金型構造の確立
≫ 高性能; 製品厚み1.0mm(Vf55%)の薄型パネル成形可能
製品厚みのバラツキ抑制
汎用プリプレグ(オートクレーブ)
94℃×5min 100℃×5min
低粘度の可使時間 3min 3min
CFRP物性(室温下)
曲げ強度 MPa 910 970 980
曲げ弾性率 GPa 55 55 58
ILSS MPa 60 61 64
CFRP物性(80℃雰囲気)
曲げ強度 MPa 740 725 720
ILSS MPa 44 46 44
Tg (E') ℃ 137 144 121
成形条件130℃×120min
RTM成形
項目 技術
プリフォーム NCF基材による賦形性の良いプリフォーム材料を開発
織物等を含め、用途・形状に応じたプリフォームを採用
マトリックス樹脂 CFとの濡れ性に優れ、短時間硬化可能な樹脂を開発
汎用PPとほぼ同等の物性、高Tg
コンポジット ハイサイクル生産技術の確立、設備投資の軽減
RTM技術のまとめ
コンポジット物性比較
Steering Wheel ≫ 接合の高信頼性・Al合金やMg合金との一体成形・重要保安部品での実績
≫ 様々なデザインに対応・他部品取付用段差やグリップ部形状
≫ 中空構造による軽量化・製品厚み1.0mmの中空断面
≫ 高い生産性・賦形型併用の内圧プレス成形・60min/個の生産能力
出典:トヨタ自動車㈱<http://www.lexus-lfa.com>
Rear Spoiler
内圧成形品
型にプリプレグを積層
プリプレグ内にチューブを挿入
レイアップ
チューブに圧空を充填しながら硬化する
加圧
CFRP
RTM
FW
RFI
CPM
成形技術-3. CPM (Compression Press Molding)
③ワインディング
1.特徴
(1) 中空構造(パイプ)の大量生産に適したプロセス
(2) 設備投資が大きいが、自動化に適している
2.成形プロセス
①クリール
②樹脂含浸
<テーピング> <硬化>
マンドレルに樹脂を含浸した炭素繊維を所定の角度にワインディングした後、硬化炉で成形し、円筒・角柱等のパイプ状コンポジットを生産する技術
圧力タンク(CNG,H2)
CFRP
RTM
FW
RFI
CPM
FW成形
成形技術-4. FW (Filament Winding)
HONDA LEGEND -Propeller Shaft-
FW成形品 採用例
≫ 正面衝突時の安全性向上・CFRP部の破壊によりエネルギーを吸収
≫ 高回転領域で使用可能・CFRPにより、固有振動数を高くできる
≫ 高い生産性・フィラメントワインディング成形・8000本/月の生産能力(1000mmサイズ)
Impact force
Engine Propeller ShaftImpact Force
CLASH
YOKEImpact absorption
by CFRP fracture
CFRPプロペラシャフトの衝突安全性
その他、短繊維系材料
射出成形チョップ
長繊維射出成形
炭素繊維
長繊維ペレット(LFT)
CF/樹脂 直接混練(Extruder)
ペレット
プレス成形(D-LFT)
その他. LFT/LFT-D (Long Fiber Thermoplastic)
PC筐体自動車部品(燃料系) 自動車部品
(フロントエンドモジュール)
ギヤ デジタルカメラ筐体
HDD筐体
短繊維材料による製品例
1㎡ 5㎡ 10㎡3㎡
生産
性
TPランダムプレス
熱硬化 Prepreg (AC)
TP射出成形
熱硬化 SMC
熱硬化 semi-preg (Out of AC)熱硬化 VaRTM
製品サイズ
熱硬化 RTM
FW
エンドモジュール
パネル(フード、ルーフ)
部位(例)
プロペラシャフト
フライホイール
小パーツ
高(1min)
低(600min)
中(10min)
(60min)
3 万個/年
30 万個/年
5000 個/年
500 個/年
10 万個/年
終わりに
製造プロセス比較
ホワイトボディ
パネル(フェンダー)
:Direct Process(RTM,RFI)
:Direct Process:TP composite
現在 将来
Body Frame Main PartsBody Frame Main Parts
各々のパーツに適した成材料システム、成形プロセスを選択
・軽量化 ・ハイサイクル ・低コスト化
自動車部品の生産方法(例)
炭素繊維複合材料は、耐環境性(CO2削減、省エネ)による自動車軽量化ニーズ
の高まりから、従来の技術枠にとらわれない、高生産性、低コスト化を実現する開
発が世界中で始まっており、現在 大きな転換点に差し掛かっている。
熱硬化複合材料は、短期間で実用化できる技術が求められており、開発が加
速している。
従来のサプライチェーンの枠を超えたグローバルな共同体が形成されている。
熱可塑性複合材料は、国家プロジェクトベースで開発が急加速している。
実用化に向けては、先ず熱硬化性並に技術・信頼性を構築する必要があり、
中・長期的開発として取り組む体制が必要である。
炭素繊維は、将来大型需要に応えるだけの生産技術の確立が必須である。
纏め
ご清聴ありがとうございました。ご清聴ありがとうございました。
Teijin PUPA EV