熱硬化CFRPの連続薄板化・100℃成形加工・塑性接合による極限軽量構造の具現化

• 研究課題/領域番号: 26249109
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 材料加工・組織制御工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 柳本 潤 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90220194)
• 研究分担者: 大家 哲朗 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (10410846)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 40,300千円 (直接経費: 31,000千円、間接経費: 9,300千円); 2018年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2017年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2016年度: 8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円); 2015年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2014年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円)
• キーワード: CFRP薄板 / 超軽量構造 / 温間圧延・成形 / 連続薄板化 / 成形性試験法 / 構造最適化 / 金属薄板 / 温間成形 / サンドイッチ成形 / 遺伝的アルゴリズム / 成形加工 / 極限軽量構造 / マルチスケール解析 / 層構造設計

研究成果の概要

熱硬化性樹脂＋連続繊維からなるCFRPの高速成形と、CFRPによる極限軽量構造を実現することにある。そのために、1) 連続薄板化、2) 100℃成形加工、3)マルチマテリアル化を研究対象として取り上げた。
1)は圧延機による熱硬化CFRPシート材の製造に取り組み、オートクレーヴよりは劣るものの、ボイド率3%以下のCFRP薄板を連続的に作製することに成功した。2)成形加工および3)マルチマテリアル化については、フェースシートを金属薄板とし内部にCFRTP（熱可塑性短繊維CFRP）の3次元構造を配する、マクロ構造を制御しながら成形性と曲げ剛性が高いハイブリッド材料を提案し、製作し、評価した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

CFRP連続薄板製造法と、新たな金属FRP ハイブリッド構造を提案できたことが学術的な意義の二本柱である。圧延機を使ったCFRP薄板の連続的な製造は世界で初めての事例である。フェースシートに金属を、コアにCFRPを利用したハイブリッド構造は、マクロ構造制御による機械的特性制御を可能とする。これらの学術的成果は、例えば輸送機器の軽量化などの社会的な意義を持つことが期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Design and fabrication of formable CFRTP core sandwich sheets (2019)
  • 著者名/発表者名: Jingwei Zhang and Jun Yanagimoto
  • 雑誌名: CIRP Annals - Manufacturing Technology 巻: Vol.68/1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multiscale analysis of the formability of CFRP sheets subjected to warm forming with a temperature-dependent epoxy model (2018)
  • 著者名/発表者名: Nishino Akihiro、Oya Tetsuo
  • 雑誌名: International Journal of Material Forming 巻: なし 号: 5 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1007/s12289-018-1449-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Analyses of press formability of CFRP sheet considering the fiber kinking and the ductile behavior of resin (2018)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Takahiro、Oya Tetsuo
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1063 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1063/1/012184
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of unidirectional prepreg size on punching of pseudo-ductile CFRP laminates and CFRP/metal hybrid composites (2018)
  • 著者名/発表者名: Ho Yu-Chien、Yanagimoto Jun
  • 雑誌名: Composite Structures 巻: 186 ページ: 246-255
  • DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.11.042
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tensile and Compression Analyses to Investigate the Mesoscale Mechanical Characteristics Influential for Press Formability of CFRP Sheets (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahiro HAYASHI and Tetsuo OYA
  • 雑誌名: Materials Science Forum 巻: 920 ページ: 217-222
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.920.217
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanical Properties and Drawing Process of Multilayer Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) Sheet with Various Prepreg Thickness (2017)
  • 著者名/発表者名: Yu-Chien HO, Hideki. SASAYAMA, Jun. YANAGIMOTO
  • 雑誌名: Advances in Mechanical Engineering 巻: 9-(3) 号: 3 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1177/1687814017692695
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Optimum Design of Formable CFRP Sheets by Generic Algorithm and FE Analysis by Homogenization of Multilayered Structure with Macroscopic Anisotropy (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuma TAKAHASHI, Yu URIYA, Jun YANAGIMOTO
  • 雑誌名: International Journal of Material Forming 巻: 9-5 号: 5 ページ: 697-703
  • DOI: 10.1007/s12289-015-1260-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Suitable structure of thermosetting CFRP sheet for cold/warm forming (2015)
  • 著者名/発表者名: Yu URIYA,Jun YANAGIMOTO
  • 雑誌名: International Journal of Material Forming 巻: 巻なし 号: 2 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1007/s12289-015-1227-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhanced formability of thin carbon fiber reinforced plastic sheets in cold/warm embossing with ductile dummy sheets of different thicknesses (2014)
  • 著者名/発表者名: Yu URIYA, Katsuyoshi IKEUCHI, Jun YANAGIMOTO
  • 雑誌名: International Journal of Material Forming 巻: 巻なし 号: 3 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1007/s12289-014-1184-9
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Applicability of Adhesive Embossing Hybrid Joining Process to Glass-Fiber-Reinforced Plastic and Metallic Thin Sheets (2014)
  • 著者名/発表者名: Z.Q. Huang, S. Sugiyama and J. Yanagimoto
  • 雑誌名: Journal of Materials Processing Technology 巻: in press 号: 10 ページ: 2018-2028
  • DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2013.11.020
  • 査読あり
• [学会発表] サンドイッチシートの形状と成形工具の形状がCFRTPコアサンドイッチシートの成形性に及ぼす影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 張 敬偉、柳本 潤
  • 学会等名: 2019年度塑性加工春季講演会
• [学会発表] Out-of-autoclave method for fabricating partially cured formable CFRP thin sheets and its evaluation (2019)
  • 著者名/発表者名: Love Shukla and Jun Yanagimoto
  • 学会等名: 2019年度塑性加工春季講演会
• [学会発表] 微視的変形特性を考慮した熱硬化性CFRP薄板の成形性に関する研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大家 哲朗、林 孝洋
  • 学会等名: 2019年度塑性加工春季講演会
• [学会発表] 超音波粉末混合/熱間押出し複合プロセスによるグラフェン分散強化型A6061基複合材料の作製 (2018)
  • 著者名/発表者名: 謝 政庭、柳本 潤
  • 学会等名: 平成30年度塑性加工春季講演会
• [学会発表] 塑性加工可能なCFRTPコアメタルサンドイッチシートの設計と製作 (2018)
  • 著者名/発表者名: 張 敬偉、柳本 潤
  • 学会等名: 平成30年度塑性加工春季講演会
• [学会発表] 繊維キンクの影響を考慮した熱硬化性CFRP薄板のプレス成形性解析(第二報) (2018)
  • 著者名/発表者名: 林 孝洋、大家 哲朗
  • 学会等名: 第69回塑性加工連合講演会
• [学会発表] 雰囲気制御設備つきの圧延法による熱硬化性CFRP薄板製造と製品特性の評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 姚 秋陽
  • 学会等名: 第68回塑性加工連合講演会
• [学会発表] 繊維キンクの影響を考慮した熱硬化性CFRP薄板のプレス成形性解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 林 孝洋
  • 学会等名: 第68回塑性加工連合講演会
• [学会発表] Influence of Mechanical Characteristics of Epoxy on the Formability of CFRP Sheets under Different Temperatures (2017)
  • 著者名/発表者名: A.Nishino
  • 学会等名: ICTP2017, Procedia Engineering 207(2017)107-112 (DOI:10.1016/j.proeng.2017.10.746)
• [学会発表] 熱硬化性CFRP中のエポキシ樹脂の力学特性評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 西野 晶拡
  • 学会等名: 第67回塑性加工連合講演会
  • 発表場所: 日本工業大学（埼玉県）
  • 年月日: 2016-10-22
• [学会発表] Mechanical behavior of fiber/matrix interfaces in CFRP sheets subjected to plastic deformation (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryuta Kamiya, Tetsuo Oya
  • 学会等名: NUMIFORM2016
  • 発表場所: University of Technology of Troyes(Troyes, France)
  • 年月日: 2016-07-06
  • 国際学会
• [学会発表] 圧延法による熱硬化性CFRP薄板の連続製造と製品特性の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 姚 秋陽
  • 学会等名: 平成28年度塑性加工春季講演会
  • 発表場所: 京都工芸繊維大学（京都府）
  • 年月日: 2016-05-22
• [学会発表] Mechanical Properties and Forming Process of Laminated CFRP Sheet with Different Prepreg Thickness (2016)
  • 著者名/発表者名: Y.C. Ho
  • 学会等名: 平成28年度塑性加工春季講演会
  • 発表場所: 京都工芸繊維大学（京都府）
  • 年月日: 2016-05-22
• [学会発表] 連続炭素繊維強化複合材料（CFRP）薄板の変形メカニズムの解明 (2015)
  • 著者名/発表者名: 瓜屋 祐
  • 学会等名: 第66回塑性加工連合講演会
  • 発表場所: いわき市文化センター（福島県）
  • 年月日: 2015-10-30
• [学会発表] CFRP薄板の大変形メカニズムの解明を目的としたマルチスケール解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 神谷 隆太
  • 学会等名: 第66回塑性加工連合講演会
  • 発表場所: いわき市文化センター（福島県）
  • 年月日: 2015-10-30
• [学会発表] Elliptical Cup Drawing of Multilayer Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) Sheet with Prepreg Thickness (2015)
  • 著者名/発表者名: Y.C. Ho
  • 学会等名: 第66回塑性加工連合講演会
  • 発表場所: いわき市文化センター（福島県）
  • 年月日: 2015-10-29
• [学会発表] 圧延法によるCFRP薄板製造法の検討ならびにAutoclave法との比較 (2015)
  • 著者名/発表者名: 姚 秋陽
  • 学会等名: 第66回塑性加工連合講演会
  • 発表場所: いわき市文化センター（福島県）
  • 年月日: 2015-10-29
• [学会発表] 塑性加工について(金属およびCFRP薄板のプレス成形概論） (2015)
  • 著者名/発表者名: 柳本 潤
  • 学会等名: JSAE Forum 自動車技術会
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス（東京都）
  • 年月日: 2015-09-29
  • 招待講演
• [学会発表] 複層構造と異方性を考慮した有限要素解析による成形性に優れたCFRP薄板の構造デザイン (2015)
  • 著者名/発表者名: 高橋 佑馬
  • 学会等名: 平成27年度塑性加工春季講演会
  • 発表場所: 慶応義塾大学矢上キャンパス（神奈川県）
  • 年月日: 2015-05-31
• [学会発表] 連続炭素繊維強化複合材料（CFRP）薄板の張出し性評価試験方法 (2015)
  • 著者名/発表者名: 瓜屋 祐
  • 学会等名: 平成27年度塑性加工春季講演会
  • 発表場所: 慶応義塾大学矢上キャンパス（神奈川県）
  • 年月日: 2015-05-31
• [学会発表] Cold and warm V-bending test for carbon-fiber-reinforced plastic sheet (2014)
  • 著者名/発表者名: Yu URIYA,Jun YANAGIMOTO
  • 学会等名: 11th International Conference on Technology of Plasticity, ICTP 2014
  • 発表場所: Nagoya Congress Center, Nagoya, Japan
  • 年月日: 2014-10-22
• [学会発表] Adhesive-embossing Hybrid Joining Process to Fiber-reinforced Thermosetting Plastic and Metallic Thin Sheets (2014)
  • 著者名/発表者名: Zhequn HUANG, Sumio SUGIYAMA and Jun YANAGIMOTO
  • 学会等名: 11th International Conference on Technology of Plasticity, ICTP 2014
  • 発表場所: Nagoya Congress Center, Nagoya, Japan
  • 年月日: 2014-10-21
• [学会発表] 成形性に優れたCFRP薄板の構造デザイン～FEMによる積層板の構造決定～ (2014)
  • 著者名/発表者名: 高橋 佑馬
  • 学会等名: 第65回塑性加工連合講演会
  • 発表場所: 岡山大学 津島キャンパス 一般教育棟(岡山県岡山市)
  • 年月日: 2014-10-13
• [学会発表] 層間滑りを利用した連続炭素繊維強化複合材料（CFRP）薄板の成形に関する研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 瓜屋 祐
  • 学会等名: 平成26年度塑性加工春季講演会
  • 発表場所: 研究交流センター, つくば国際会議場(茨城県つくば市)
  • 年月日: 2014-06-08
• [備考] 東京大学生産技術研究所 機械系 柳本研究室
  • URL: http://www.yanlab.iis.u-tokyo.ac.jp/
• [備考] 柳本研究室ホームページ
  • URL: http://www.yanlab.iis.u-tokyo.ac.jp/