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広岛県立総合技术研究所様の事例をご绍介します。

树脂?复合材成形シミュレーション
使用ソフト：PAM-FORM

広島県立総合技術研究所 西部工業技術センター 炭素繊維プロジェクトチーム 室長 山下 弘之氏、副主任研究員 松永 尚徳氏に、同チームの取り組みと、炭素繊維加工の評価にPAM-FORMを導入した経緯と評価について詳しく聞きました。

 

広島県立総合技術研究所 炭素繊維プロジェクトチームについて

広島県立総合技術研究所は広島の産業振興を目的とした県立の技術機関です。広島県内の中小企業を主な対象として、依頼試験、技術相談、人材育成などのサービスを提供し、使用料をお支払いいただくことで試験設備の利用も可能です。同技術研究所内 炭素繊維プロジェクトチームでは、現在、炭素繊維複合材料の加工技術の研究開発に取り組んでいます。

 

炭素繊维とは

－炭素繊维とはどんな材料なのか教えてください。

まず、今回は事例インタビューへの回答ということで、技术的正确さよりも分かりやすさを优先してお话しさせていただくことを始めに申し上げます。

炭素繊维とは、文字通り「炭素からなる繊維」です。特長は「びっくりするほど軽く、強く、長持ちすることです」。重さは鉄の1/4、アルミの2/3、ガラス繊維の2/3と、群を抜いて軽量です。強度は引張り強度が鉄の10倍と超強力、さらに、疲労しない、錆びない、化学的?熱的にも安定しているという、とても優れた特性の材料です。

炭素繊维は、プラスチックと复合した颁贵搁笔（炭素繊维强化プラスチック）として広く利用されており、身近なところではゴルフクラブのシャフト、钓り竿、テニスラケットなどで使われています。大きな物では、航空机ボーイング787では机体の50%以上が颁贵搁笔です。

軽い、强い、錆びないという特性は、自动车のボディにも向いています。现在は、高级车の一部でのみ使われていますが、将来、生产?加工のコストが下がれば大众车のボディでも颁贵搁笔が使われるようになるでしょう。

なお炭素繊维の研究?生产では日本が世界のトップを走っており、日本の繊维メーカーは世界シェアの70%を占めています。

 

炭素繊维プロジェクトチームが目指していること

－炭素繊维プロジェクトチームでは现在、どんなことに取り组んでいるのですか。

広岛県には自动车関连の中小公司が多くあります。炭素繊维プロジェクトチームでは、将来、自动车への颁贵搁笔の活用が进んだときに、県内の中小公司がスムーズに仕事を受注できるよう、颁贵搁笔の加工技术の试験、研究を进めています。

広岛県には高い技术力を有する金属プレス公司が多数あり、颁贵搁笔のプレス加工について潜在力があると期待できます。颁贵搁笔加工の研究は、県内公司の新しい分野への挑戦を支援するという工业技术センターの研究テーマにふさわしいといえます。

また今のうちに研究を进めておかないと、将来、欧米に大きく遅れを取る可能性があり、危机感を感じています。

 

 

 

加工技术では日本は遅れをとっている？

－先ほど、「炭素繊维は日本が世界でシェアトップ、研究も先端を走っている」というお话があったように思うのですが。

たしかに炭素繊维の生产も研究も日本がトップを走っています。しかし、炭素繊维を使って実际の部品やボディを作り上げるための「颁贵搁笔の加工技术」については、実际に颁贵搁笔製の航空机を多く作っている欧米の方が、研究も技术も进んでいるように思います。

颁贵搁笔の「加工」については、日本は欧米に比べ遅れており，それを取り戻すための取组みが必要だと考えています。これは広岛県に限ったことではなく，现在国内の多くの研究机関で颁贵搁笔への取组みが始まっています。

 

中小公司が颁贵搁笔加工を行うときに重要なことは？

－颁贵搁笔の加工技术を、中小公司向けに実用化するために重要なことは何ですか。

「低コストで加工できる技术を确立すること」が重要です。颁贵搁笔が优れた材料特性を持っていることは既に分かっています。しかし现状では、製造コスト、加工コストが共に高価であるため、量产车ではまだ使えません。

材料コストの低减は材料メーカーに期待するほかありません。当研究所では、加工のコスト低减、すなわち「材料歩留まりの向上」や「製造サイクルの短缩」に中心的に取り组んでおり、すでにいくつかの特许を出愿しています。

 

炭素繊维の加工法

－颁贵搁笔にはどんな加工法があるのですか。

颁贵搁笔には数多くの加工方法がありますが，例えば「热硬化によるオートクレーブ成形」、「热可塑によるプレス成形」、「搁罢惭成形」などが挙げられます。

「热硬化によるオートクレーブ成形」では、「热硬化性树脂と炭素繊维を复合した材料を用いて、热硬化性树脂の热を加えることで固まる」という性质を利用します。具体的には大型の圧力釜（オートクレーブ）を使い高温?高圧で成形します。航空机、新干线、レーシングカー、人工卫星など宇宙技术で使われる颁贵搁笔部品の多くは、オートクレーブ成形法で加工されています。

「热可塑によるプレス成形」では、「热可塑性树脂と炭素繊维を复合した材料を用いて，热可塑性树脂の加热すると软化する」という性质を利用してプレス成形を行います。具体的には、まず颁贵搁笔のシートから所定の形?大きさに切り出し、次にそれらを积み重ねてプレスすることで一枚の板にします、次にその「颁贵搁笔の板」を加热し、金型を使ってプレスし目的の形状に成形します。

「搁罢惭成形法」とは、炭素繊维を密闭した型の内部に配置し、圧力を掛けて热硬化树脂を浸み込ませて加热?硬化させることにより成型する方法です。

炭素繊维プロジェクトチームでは主に「热可塑によるプレス成形」の试験?研究を行っています。

 

热可塑によるプレス成形に积极的に取り组んでいる理由

－「热可塑によるプレス成形」に中心的に取り组んでいる理由を教えて下さい。

现在主流である热硬化による成形法は、自动车产业へ适用することを考えると成形时间が长いということが课题となっており、その点で热可塑に可能性があると见込んでおります。また，すでに大手公司で热硬化の研究が进んでいます。后発である私たちは、热可塑によるプレス成形をターゲットにしました。

さらに、広岛の公司への展开を考えると、プレス成形ならば、従来の自动车部品の金型関连设备がそのまま流用できる可能性があります。

 

取り组んでいる技术开発の内容

－加工の歩留まり工场と製造サイクルの短缩のために、现在、どんな技术开発に取り组んでいますか。

炭素繊维プロジェクトチームが现在取り组んでいるものは公开できませんが，今まで开発してきた技术としては次のものがあります。
 

1.中间材料の衝撃吸収性を向上させる工夫

颁贵搁笔は、炭素繊维に树脂を含浸させたプリプレグと呼ばれるシート状の中间材料が一般的に作られています。その际に、热可塑性树脂と炭素繊维のより确実に付着させる製造技术を开発しました。これにより颁贵搁笔の衝撃吸収性の向上が期待できます。

2.材料のムダをなくす工夫

シート状の中间材料を积层するとき、シートがあまりににも大きすぎると、成形品を型取ったあと捨てる部分が多くなります。シートを细いテープ状にすることで材料のムダを少なくしました（右上図）。

なお、テープ状のシートは、工业用の刺繍ミシンを改良?発展させた装置で缝い合わせています（右図）。ナイロン糸を使って加热、熔解させれば、树脂とはよくなじみます。

3.高速成形の工夫

颁贵搁笔のプレス成形では、树脂の溶融温度を超えるまで加热した金型で、炭素繊维シートをプレス成形し、その后、金型を冷却して成形品を取り出します。この手法の欠点は、金型の加热と冷却を繰り返すため高速化が困难なことと、金型の表面に生じる温度ムラのせいで成形品の品质が低下する恐れがあることの2つです。この问题には、金型について高い技术を持つ県内の中小公司と共同して取り组んでいます。金型の材料に鉄と铜を巧く组み合わせることで，加热?冷却工程を高速化すると同时に，金型表面温度の均一化を図っています。

 

笔础惭-贵翱搁惭の必要性

－笔础惭-贵翱搁惭はどのように役立つのですか。

颁贵搁笔のプレス成形は、「やってみないと分からないこと」が多いのですが、炭素繊维は材料が高価なので、あまりむやみに试行错误を繰り返すわけにもいきません。そのとき笔础惭-贵翱搁惭のような分析ソフトウエアが有用になります。

颁贵搁笔では、繊维方向と直方向とで材料特性に大きな违いがあります。繊维方向によりプレス成形のシワの様子も変わり、また、製品の特性も繊维方向に大きく左右されます。

繊维方向のわずかな违いが、结果の大きな违いにつながります。これを人间のカンだけで推测するのは无理です。结局はトライ＆エラーの繰り返しで答えを见つけていく必要がありますが、実际にモノを作る前に笔础惭-贵翱搁惭とその他の颁础贰ソフトを组み合わせて使うことである程度の绞り込みが可能となるところにメリットを感じています。

 

今后の期待

－日本イーエスアイへの今后の期待をお聞かせください。

私たち炭素繊维プロジェクトチームでは、将来、颁贵搁笔が自动车部品で当たり前に使われるようになる时代がきたとき、広岛県下の中小公司が加工作业のトップランナーとなれるよう、今后も试作と研究を続けていく所存です。

日本イーエスアイには、そうした取り组みを、优れたシミュレーション製品と技术サポートを継続提供いただくことを通じてご支援いただくことを希望します。これからもよろしくお愿いします。