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2018 年度 実施状況報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 18K03869
研究機関金沢大学

研究代表者

喜成 年泰  金沢大学, 機械工学系, 教授 (90195321)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード繊維強化複合材料 / 組紐 / 熱可塑性樹脂 / 熱間プレス / 外殻+隔壁構造 / 機械的性質
研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

次年度使用額が生じた理由

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。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Experimental Study on Hoop Stress Affecting Braided Carbon Fiber Reinforced Plastics Subjected to Internal Pressure2019

    • 著者名/発表者名
      Nanang Endriatno, Kento Kawai, Takuru Suehiro, Satoshi Kitayama, Jiro Sakamoto, Toshiyasu Kinari
    • 雑誌名

      Journal of Textile Engineering

      巻: 65 ページ: 11~17

    • DOI

      https://doi.org/10.4188/jte.65.11

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] マルチブレイダーによる分岐・合流構造組紐の試作2018

    • 著者名/発表者名
      末廣沢瑠,坂西映輝,谷口道夫,若子倫菜, 喜成年泰
    • 学会等名
      日本繊維機械学会北陸支部研究発表会
  • [学会発表] Bending properties of CFRP with braided structure2018

    • 著者名/発表者名
      Toshiyasu Kinari, Nanang Endriatno, Takuru Suehiro
    • 学会等名
      the 46th Textile Research Symposium at Mt. Fuji
    • 国際学会
  • [学会発表] Bio-innovative design technology and manufacturing system for CFRP preform by braiding structure2018

    • 著者名/発表者名
      Toshiyasu Kinari,Jiro Sakamoto, Satoshi Kitayama,Yuka Maki, Kento Kawai, Takuru Suehiro, Mitsugu Kimizu, Daisuke Mori, Hiroyuki Hasebe
    • 学会等名
      International Symposium on Flexible Automation, Kanazawa
    • 国際学会
  • [学会発表] 炭素繊維強化複合材料における組紐構造と力学特性との関係2018

    • 著者名/発表者名
      末廣沢瑠,河合研人,喜成年泰
    • 学会等名
      日本設計工学会北陸支部研究発表講演会
  • [学会発表] マルチブレイダーによる分岐構造の試作2018

    • 著者名/発表者名
      末廣沢瑠,河合研人,喜成年泰, 谷口道夫
    • 学会等名
      日本繊維機械学会年次大会研究発表会

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公開日: 2019-12-27  

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