PAM-COMPOSITES 導入事例 ナカシマプロペラ株式会社
Composites
Marine
ナカシマプロペラ株式会社様の事例をご绍介します。
复合材成形解析ソリューション
使用ソフト：PAM-COMPOSITES
ナカシマプロペラ株式会社 コンポジット事業部 部長 山磨敏夫 氏（右側）、課長 櫻井貴哉 氏（左側）にPAM-COMPOSITES/PAM-RTMモジュールを導入した経緯とその効果について詳しく聞きました。
ナカシマプロペラについて
ナカシマプロペラは船舶用プロペラを开発?製造している公司です。一般商船用プロペラでは国内シェア70%で第一位。
世界でも30%でトップクラスのメーカーです。年商240亿円、社员数380名、设立1926年。
商船向け炭素繊维复合材料製プロペラを世界で初めて商用化
― ナカシマプロペラで今注力されている、「炭素繊維複合材料によるプロペラづくり」に関して、まず現在の炭素繊維複合材料製プロペラの製造?販売状況を教えてください。
ナカシマプロペラでは炭素繊维复合材料のプロペラづくりを自社の次世代技术と位置づけて、2007年から研究开発を开始し、东京大学など研究机関と共同研究を続け、2015年には「世界初の商用化」を実现しました。2017年现在も商船向けの炭素繊维复合材料製プロペラを商用製造できるのは世界で弊社だけです。
プロペラで使う炭素繊維複合材料は?炭素繊維強化プラスチック(CFRP)」です。 船舶用プロペラでは最も大きい物がタンカー用の直径10メートル級プロペラとなり ますが、CFRPプロペラでは現在、最大で直径4.2メートルのものが製造可能です。 現在の年間製造数は約10個。現在、日本の内航船の製造数は年間100隻程度なので、 うち1割にCFRPプロペラが出荷?搭載されていることになります。 CFRPプロペラは材料費も製造費用もまだまだ高価ですが、今後コストダウンを進 めることにより、さらに多くの製造数、出荷数が実現できるものと見込んでいます。
良いプロペラの３条件
― CFRPプロペラは従来のプロペラに比べ、どんな点が優れているのでしょうか。
まず、构造的な観点での「良いプロペラとはどういうプロペラか」という部分からご説明します。良いプロペラでは大きく「耐久性」、「軽量（低振动）」、?正确な形状」の3点が重要な要素となります。
要素1．「耐久性」
船舶、特に外洋を航行する大型船舶の場合、プロペラは非常に長期間、連続運転します。大型タンカーでは航行期間は1 ヶ月に及びますが、これは直径10メートルの大型プロペラが1 ヶ月間（720時間）、休み無く回り続けることを意味します。この前提を考えた場合、プロペラには当然、高い耐久性が求められます。
要素2．「軽量（低振动）」
一般に乗り物では「軽量は高燃费につながるから良い」となることが多いのですが、プロペラは船舶全体の重量に比べて非常に小さい部品なので、これを軽くしても直ちに高燃费につながりません。
むしろ水中を高速回転するプロペラでは、軽量であることのメリットは?低振动」の方です。まず低振动であれば船の内外で騒音が小さくなります。また脉动するエンジン回転では、軽量である方が回転がスムーズになるのでエンジンの负荷が低减します。この负荷低减効果は、荒天で海が荒れている中を航行するとき特に重要になります。
要素3．「正确な形状」
长期间连続运転が前提となるプロペラでは寸法精度がわずかに违うたけでも、エンジンの性能や耐久性に大きな影响を与えます。プロペラの製造では、直径10メートルの大型プロペラでも寸法の公差は1%以内で正确を期します。また表面の平滑度に関してはミクロン単位で管理します。
炭素繊维は高强度で軽量な素材なので、ここまで述べた３要素のうち耐久性と軽量（低振动）を実现するために优れた材料といえます。ナカシマプロペラは次世代の主力製品として炭素繊维とプラスチックを合わせた颁贵搁笔プロペラに注力しています。
炭素繊维复合材料に着目した理由
― ナカシマプロペラがCFRPプロペラの開発に着手した経緯を教えてください。
通常のプロペラは、铜合金を鋳造して作ります。ナカシマプロペラの売上げも大部分は铜合金プロペラに依っています。しかし弊社では2つの理由から、「炭素繊维のプロペラづくりに着手すべき」と考えるようになりました。
1つめの理由は「铜资源の枯渇」です。铜はすでに希少鉱物资源となっており、材料费は年々高腾しています。この先、铜の供给状况が好転する见込みは薄いと思われます。将来に备え、炭素繊维复合素材によるプロペラ製造の技术を确立するべきと考えました。
2つめの理由は「复合素材メーカーの潜在的胁威」です。现在、弊社は船舶用プロペラの分野では国内外で高いシェアを取れています。しかし将来的に炭素繊维など复合材の材料コスト、製造コストが低下したとき、「复合素材メーカーがプロペラ业界に进出してくる」こともありえます。その潜在的胁威に抵抗するためにも炭素繊维复合素材のノウハウを蓄积しなければならないと考えました。
そして2007年に研究开発に着手し8年间の试行错误を経た后、2015年にはついに船级承认を得て一般商船向けの商用化を実现できました。
炭素繊维复合材料製プロペラの製造工程
― 炭素繊維複合素材を使ったCFRPプロペラはどのように製造するのでしょうか。
颁贵搁笔プロペラは真空含浸成形（痴补搁罢惭)により、炭素繊维に树脂を含浸?硬化させて作ります。以下、颁贵搁笔プロペラとしては现时点で最大となるブレード径约２メートル（プロペラ直径４メートル）の物を例にして説明します。
颁贵搁笔プロペラの痴补搁罢惭成形プロセスは、次のとおりです。
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「炭素繊维を重ねてブレード形状を作る」
裁断した炭素の场合、炭素繊维の层の数は厚い部位で数百枚、薄い部位で十枚程度となります。 -
「フィルムとフローメディアで炭素繊维を覆う」
ブレード大の炭素繊维を、『フローメディア』と呼ばれる树脂の流れを制御するための网目状のシートで覆います。さらにその上をフィルムバッグで覆います。 -
「フィルム内部を真空にして、素材を密着させる」
フィルムバッグ内部の空気を抜いて、真空圧により、炭素繊维の层、フローメディア、フィルムを相互に密着させます。 -
「树脂を含浸させる」
真空圧を使って、配管からフィルムバッグ内部に树脂を流し込みます。树脂が炭素繊维层の全体に行き渡るまで约3时间かかります。 -
「树脂を硬化させる」
所定の硬化プログラムにそって加热し、树脂が固まったところで含浸成形のプロセスは终了となります。
炭素繊维および成形法
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製造上の困难
― 含浸成形によるプロペラ作りでの製造上の課題、困難について教えてください。
开発に着手した当初は铜合金の鋳造のノウハウはあるものの、炭素繊维复合材の含浸成形については全く未知の分野、ゼロからのスタートとなりました。その后、东京大学と共同研究を重ねてノウハウを得ていきましたが、基本的には「试行错误と手探り」で开発を进めたことになります。
含浸成形では、?炭素繊维层の空隙に隈なく树脂を行き渡らせるプロセス」が製造上の难点です。鋳造でも含浸成形でも、その理想状态は「素材が型内部で隅々まであまねく均等に行き渡り、均等に固まる」ことです。しかし含浸成形の场合、型内部に炭素繊维の固まりがあるためそれが障害物となり、「树脂素材を均等に行き渡らせること」が难しくなります。
プロペラ完成品と炭素繊维层は形状も见た目体积も同じです。しかも炭素繊维层は含浸前に真空圧でしっかり固められます。こう闻くともはや树脂が浸透する隙间など无いような気がしますが、実は完成品プロペラの炭素繊维部分と树脂部分の体积比は6：4です。
つまり、真空密着させてもなお残る炭素繊维层の间の空间、そして炭素繊维の织目部分の空隙は、一つ一つは微少であっても、すべてを合计すると全体の4割に及ぶということです。
炭素繊维への树脂の含浸は、?流し込む」というスピーディな言叶とは対极の世界です。繊维の织目の微细な隙间にじっくりじんわり根気よく浸み込ませる、そんな工程となります。
ここまで述べた前提条件があるため、炭素繊维复合材の含浸成形で、?繊维の内部に隅々まであまねく均等に树脂を行き渡らせ、均等に硬化させる」という理想像を実现するのは非常に难しくなります。
「 経験と勘」から、シミュレーション導入へ
― そうした困難にはどう対処していたのでしょうか。
正直なところでいうと最初は「経験と勘」で何とかしていました。しかし受注が好调になり、製造するプロペラのサイズが大きくなると、経験と勘だけでは対処が难しくなってきました。
炭素繊维复合材の场合、失败すると高価な炭素繊维がムダになります。大きなサイズのプロペラを、コスト、纳期、品质を确保しながら安定生产するには、経験と勘だけではやはり限界があると悟りました。
そこでシミュレーションソフトウエアを导入し、コンピュータ内部で含浸成形を再现し、试行错误は极力コンピュータ内部で行うよう方针を転换しました。いくつか候补製品を比较検讨しましたが、笔础惭-搁罢惭が「射出成形だけではなく、3次元での痴补搁罢惭成形シミュレーションにも対応している点」、「东京大学をはじめ国内で多くの导入実绩がある点」で他製品に比べ优っていたので、これを採用しました。
笔础惭-搁罢惭を使った含浸シミュレーション
― 現在、PAM-RTMの活用ではどんなパラメータを変えてシミュレーションしているのでしょうか。
大きくは「注入配管の数、位置」、「フローメディアの大きさ、位置」の2点です。
何十、何百层もの炭素繊维に树脂を浸み込ませる场合、?ブレード表面と平行な方向（积层した繊维シートに沿った方向）への树脂の浸透」と?表面と垂直な厚み方向への树脂の浸透」の2つの方向で树脂流动抵抗に大きな差があるため、これら2つの方向について制御する必要があります。
うち前者については、『フローメディア』と呼ばれる网目状のシートをフィルムと炭素繊维の间に配置し、これにより树脂の浸透を促进、制御します。后者の厚さ方向への浸透については、树脂を注入する配管の数、位置、径を変えることで、含浸状态を制御することになります。
笔础惭-搁罢惭によるシミュレーションでは计算时间は约３时间です。
※掲载している解析画像は、一例であり実际の製造プロセスに适用したものではありません。
笔础惭-搁罢惭の导入効果
― 笔础惭-搁罢惭の导入効果を教えてください。
コンポジット事業部 課長 櫻井貴哉氏
笔础惭-搁罢惭によるシミュレーションを导入したことで、まず试行错误に要する时间とコストを削减することができました。たとえば従来の経験と勘の时代には、3回実製造して3回とも失败し、4回目でやっと翱碍になっていたのが、事前にシミュレーションを行うことで一発で成功できたという事例もありました。実製造での失败は炭素繊维、树脂、製造工数がすべて无駄になることを意味しているので、コスト削减効果は多大です。
また実製造で失败したときに、その原因を事后シミュレーションを通じて分析、検証することが可能になりました。シミュレーションの结果値と、実物の検査値を照会することにより、树脂が炭素繊维の空隙部分で含浸する状态を子细に把握、予测することが可能になりました。
现在は、笔础惭-搁罢惭の活用により、製造における失败と成功の理由、因果関係を详细に把握することが可能になり、単なる结果オーライではない、根拠を持ったノウハウが着実に社内に蓄积されています。
笔础惭-搁罢惭の导入、活用により、製造プロセスの仮説?検証のスピード、笔顿颁础サイクルを回す速度と精度が向上したといえます。
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初期の注入配管、フローメディアでの解析结果 |
解析结果により配置変更し、含浸完了时间を短缩
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プロペラブレードでの树脂含浸解析による改善
※掲载している解析画像は、一例であり実际の製造プロセスに适用したものではありません。
先行ユーザーからのアドバイス
― 炭素繊維複合素材による製造プロセスの改善に、ソフトウエアによるシミュレーションを導入することを検討している企業担当者に向けて、アドバイスなどあればお聞かせください。
颁贵搁笔プロペラの製造も商用化しても最初の1年ぐらいは経験と勘でしのいできました。しかしあるとき製造で「たぶん上手くいくだろう」と思ってやったことが3回连続で失败してしまいました。こうなると社内の品质管理部门からもクレームが来ますし、自分たちとしても悔しいですし、ちょっと焦るわけです。
しかしこういうときは、失败の原因は、小手先を少し変えれば何とかなるという话ではなく、何かが根本的にダメなんですね。その根本的な原因が何かを调べないことには前に进めないわけですが、ただこれは実际の材料、设备を使って调べるとなると手间もコストも大変なことになるわけです。
でもシミュレーションソフトウエアなら手间やコストを気にせず、自由に大胆に试行错误ができる。そういう便利さは一つの魅力かなと感じています。
今后の期待
― PAM-RTMおよび日本イーエスアイへの今后の期待をお聞かせください。
コンポジット事業部 部長 山磨敏夫氏
ナカシマプロペラでは次世代の主力技术として、炭素繊维复合素材によるプロペラ作りをさらに推进していきます。笔础惭-搁罢惭はその取り组みの中で欠かすことのできない道具になるでしょう。引き続き、优れた製品とサポートを通じて、ナカシマプロペラのプロペラ作りを后方支援していただくことを希望します。今后ともよろしくお愿いします。
复合材成形解析ソリューション
使用ソフト：PAM-COMPOSITES