2020 Fiscal Year Research-status Report
| Project/Area Number |
18K03833
|
|---|
| Research Institution | Tsukuba University of Technology |
|---|
Principal Investigator |
明松 圭昭 筑波技術大学, 産業技術学部, 准教授 (20396766)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
後藤 啓光 筑波技術大学, 産業技術学部, 准教授 (90389718)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 複合材料・物性 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
CFRPは現在，最も注目されている材料の一つである。高強度，高剛性，耐食性に優れる，など，従来の材料にはない優れた特性を有するため，様々な分野で適用が進んでいる。成型後，熱硬化性CFRPの加工は機械加工されることが多いが，深穴微細加工は困難である。そこで注目されているのが高エネルギ加工技術である。中でもCFRPが低導電性の材料（導体である炭素繊維および不導体である樹脂から構成）である特性を利用した放電加工技術の適応がはかられている。しかしCFRPは導体および不導体の積層で構成されるコンデンサ特性を有する高抵抗材でもあるため，安定した放電加工が困難で，加工時に熱影響が出やすく加工後，強度低下等の問題が発生することがある。 これらの問題を解決するためには安定した加工が行えるように極間の電気抵抗を常に低く保ち，さらに加工部以外での熱の発生を抑える必要がある。そこで加工前のCFRP材表面に導電導入材を付着させ放電加工することで，加工表面に電気抵抗の低い導電性被膜を形成しながら加工する「補助電極法」の可能性を調査している。本手法は，加工開始時には導電導入材が極間の電気抵抗を低くする役割をし，加工が進行した際には導電性被膜（母材と導電導入材により形成される）を形成することで極間の電気抵抗を低く保つことが可能な手法である。ただし，導電性被膜を形成し続けるためには放電パルスを制御する必要がある。「放電パルス制御」を行うことで，市販の放電加工機では困難な導電性被膜を形成しながら加工部以外での発熱を抑えた熱影響の少ない放電加工が可能になると考えている。2020年には絶縁体加工面に導電性被膜を形成しながら放電加工を行うことが可能な，独自開発した放電回路有する自作の放電加工機を用い加工したCFRP材の加工面観察および評価を行った。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，加工前のCFRP材表面に電気抵抗の低い導電性被膜を形成することで，熱影響の少ない安定した放電加工およびその評価技術の確立を目指している。本研究の最終目的は，「補助電極法」および「放電パルス制御」を用いた放電加工により熱硬化性炭素繊維強化プラスティック（CFRP）材に高アスペクト比の深穴微細加工を行うことである。大きな課題としてCFRPに導電導入材を付着し，導電性を維持しながら放電加工する技術「補助電極法」およびCFRP材表面に形成された導電性被膜に放電することで発熱を抑制し熱影響の少ない安定した放電加工を行う「放電パルス制御」をそれぞれ完成させることが必要である。そのために，2018年には熱入力の制御可能な放電パルス制御回路を作製した。この回路により市販の放電加工機では制御できない加工条件（放電電圧，電流，持続時間，雰囲気等）を制御「放電パルス制御」可能な放電加工機を製作した。2019年には独自回路を有する自作の放電加工機を用い銅電極によるCFRP材の加工を試みた。2020年は加工面評価を行うために走査型電子顕微鏡およびデジタルマイクロスコープを用い詳細な放電痕観察を行った。その結果，炭素繊維の面密度が理論値を超える放電加工条件が存在することが発見された。この加工法は2020年に「炭素繊維複合材量および積層体の加工法」という名称で特許申請（特願2020-138888）された。現在，出願公開を待っている状況である。
|
| Strategy for Future Research Activity |
熱硬化性CFRPは成型後に加工性が悪くなるため汎用材とはいい難い面を有する。そこで導電性を維持しながら放電加工する技術（「補助電極法」）および市販の放電加工機では設定できないパラメーターを独自開発した放電回路を用い制御加工する技術（「放電パルス制御」）を用いることで困難だった熱影響の少ない微細加工の可能性を探っている。昨年度までに加工部に生じる熱影響を抑えるために熱入力の制御可能な放電パルス制御回路を用いれば熱硬化性CFRPを安定して放電加工ができる可能性が見いだせている。特に特定条件下で加工した場合，炭素繊維の面密度が理論密度を超える表面処理加工が可能であるため，2020年には加工表面および深さ方向の材料評価を目指した。その結果，表面処理を施しながら安定した放電加工が可能であることが示されたが，表面処理メカニズムおよび発現条件などが未解明である。そこで今後は加工面の特性評価と同時に，特殊表面処理が可能な条件を明らかにすることを目指す。その際，加工雰囲気，放電条件，加工材の前処理について検討する。表面処理メカニズムおよび発現条件などが明らかになれば，従来困難であった熱可塑性CFRP材の2次加工を材料そのものの性能を落とすことなく加工することが可能になり，更なる応用発展が期待される。以上の研究により，加工面の特性評価技術の可能性を探る。
|
| Causes of Carryover |
熱入力の制御可能な放電パルス制御回路を用い熱硬化性CFRPの加工面評価を試みた。表面処理を施しながら安定した放電加工が可能であることが示され，その結果をもとに，加工面の評価を行うとともにシンポジウムで発表予定であったが，新型コロナ流行の影響で会議への参加回数が減少したため未使用額が生じた。次年度は会議参加回数の減少も見据え，研究遂行中に見つかった新たな課題である特殊表面処理が可能な条件を明らかにするための準備を進めることとし，未使用額はその経費に充てることとしたい。
|
