2018 Fiscal Year Research-status Report
組紐技術を応用した内部隔壁を有する中空材ＦＲＰプリフォームの創成
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18K03869
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
喜成 年泰 金沢大学, 機械工学系, 教授 (90195321)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 繊維強化複合材料 / 組紐 / 熱可塑性樹脂 / 熱間プレス / 外殻＋隔壁構造 / 機械的性質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該研究課題スタート時に既にマルチブレイダーを用いて連続炭素繊維糸条による「外殻＋隔壁」構造FRPプリフォームを作成する技術はできていたが、H30年内にスピンドル（ブレイダー内で糸を解じょしつつ運搬し、組糸の経路を形成するための部品）に改良を加え、プリフォーム内での組糸の角度を様々に変化させられるようになったため、プリフォーム形成をするための糸経路の範囲が広がり、「隔壁」を形成する組糸の数（すなわちFRPの厚み）を増すことができた。この結果、単純な円筒状パイプの約２倍の強度を有する外殻＋隔壁構造CFRPの作成に成功し、曲げ試験によりそれを実証した。
上記構造プリフォームに加え、連続する組紐の途中で組紐が分岐・合流することのできるプリフォーム形成技術を開発し、実際にマルチブレイダーによって、プリフォームを試作することに成功した。このようにマルチブレイダー上で複雑な経路に対してスピンドルを運動させる場合、スピンドル同士の衝突が起こり、装置破損の恐れがあったが、複雑なスピンドルの運動をパソコン上でシミュレーションできるソフトウェアを自作し、スピンドル経路を考案する効率が向上した。
当該研究課題スタート時点では「立体的に複雑な形状をした」プリフォーム作成に主眼をおいていたため、実際にFRPを成形する手法としては、（含浸時に粘度の低い）熱硬化性樹脂を用いたVaRTM(真空含浸工法)成形法等を想定していたが、熱可塑性樹脂フィルムの上に薄く開繊した炭素繊維を埋め込んだ中間基材（以後Ｃスリットヤーン）を入手することができ、Ｃスリットヤーンを用いた中空パイププリフォームの作成に成功し、さらにこのプリフォームを熱間プレスすることによって短時間でCFRP成形品を得ることができるようになった。炭素繊維連続糸条プリフォームによる熱可塑性樹脂母材のCFRPは工業的応用価値が非常に大きい。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当該研究課題スタート時に既にマルチブレイダーを用いて連続炭素繊維糸条による「外殻＋隔壁」構造FRPプリフォームを作成する技術はできていたが、H30年内にスピンドルに改良を加え、プリフォーム内での組糸の角度を様々に変化させられるようになったため、プリフォームを形成するための糸経路の範囲が広がり、「隔壁」を形成する組糸の数（すなわちFRPの厚み）を増すことができた。この結果、単純な円筒状パイプの約２倍の強度を有する外殻＋隔壁構造CFRPの作成に成功した。
上記構造プリフォームに加え、連続する組紐の途中で組紐が分岐・合流することのできるプリフォーム形成技術を開発し、実際にマルチブレイダーによって、プリフォームを試作することに成功した。このようにマルチブレイダー上で複雑な経路に対してスピンドルを運動させる場合、スピンドル同士の衝突が起こり、装置破損の恐れがあったが、複雑なスピンドルの運動をパソコン上でシミュレーションできるソフトウェアを自作し、スピンドル経路を考案する効率が劇的に向上した。
当該研究課題スタート時点では「立体的に複雑な形状をした」プリフォーム作成に主眼をおいていたため、実際にFRPを成形する手法としては、（含浸時に粘度の低い）熱硬化性樹脂を用いたVaRTM(真空含浸工法)成形法等を想定していたが、熱可塑性樹脂フィルムの上に薄く開繊した炭素繊維を埋め込んだ中間基材（以後Ｃスリットヤーン）を入手することができ、Ｃスリットヤーンを用いた中空パイププリフォームの作成に成功し、さらにこのプリフォームを熱間プレスすることによって短時間でCFRP成形品を得ることができた。また、この熱可塑性樹脂母材のCFRP中空パイプはVaRTMによる熱硬化性樹脂母材のFRPとほぼ同じ機械的強度を示すことを曲げ試験により確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
成形時間が短縮可能（すなわちコスト低減の可能性が大きい）。リサイクルが容易になる。炭素繊維連続糸条による複合材であるため、VaRTM成形品と同等以上の機械的性質が期待できる。等々、炭素繊維連続糸条プリフォームによる熱可塑性樹脂母材の熱間プレスCFRPは工業的応用価値が非常に大きいため、熱可塑性樹脂フィルムスリットヤーンを用いて「外殻＋隔壁」構造FRPプリフォームを作成し、それを熱間プレス成形する技術開発を優先する。
当該研究課題スタート時点では「立体的に複雑な形状をした」プリフォーム作成に主眼をおいていたため、実際にFRPを成形する手法としては熱硬化性樹脂を用いたVaRTM成形法等を想定していたが、本研究グループには樹脂成形の技術がないため、樹脂成形を外注に頼らざるを得ず、委託加工による樹脂成形外注は数ヶ月単位の納期を要するため、研究進捗の大きな妨げとなっていた。また、熱可塑性樹脂母材のCFRPは自動車の構造材としての使用も期待されるため、工業的応用範囲が飛躍的に増大する。
上記Ｃスリットヤーンによるプリフォーム形成＋熱間プレス技術の開発に加え、立体的に複雑な形状を有するプリフォーム形成技術の開発と、その機械的性質を向上させるプリフォーム形成条件の探索についても平行して進めて行く。
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| Causes of Carryover |
平成30年の途中で、熱可塑性樹脂フィルムの上に薄く開繊した炭素繊維を埋め込んだ中間基材（以後Ｃスリットヤーン）の無償サンプル提供を受けたため、外注のVaRTM(真空含浸工法)成形によるサンプル作成を少し減らして、Ｃスリットヤーンによる組紐構造プリフォーム作成とその熱間プレス成形に注力した。このため、試料の購入経費が想定よりも少なくて済んだ。
本年度からはＣスリットヤーンを購入する必要があり、また、熱間プレスは本学にて処理することが可能であるが、熱間プレスのための型はVaRTM用の型よりも頑丈に作る必要がある（すなわち高額となる）ため、前年度残額と合わせて助成金を使用したい。
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