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CFRTP

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CFRTPの加工技術に関する講演会および見学会
連続繊維強化CFRTPの
ハイサイクル成形技術
岐阜大学 工学部 機械工学科
複合材料研究センター
仲井朝美
1/79
CFRTP材料の位置づけ
連続繊維材料
熱可塑系
力
学
特
性
(
強
度
、
耐
疲
労
性
な
ど
)
熱硬化系
連続繊維CFRTP
(擬似等方)
等方性CFRTP中間基材
連続繊維材料
・機械強度に優れる
・強度保証が可能
・成形性に劣る
不連続繊維材料
・実用強度が低い
・異方性・バラツキ
・強度予測が不可能
・成形性には優れる
不連続繊維材料
熱硬化系樹脂
・硬く変形しにくい
・含浸容易
・成形時間が長い
GMT
射出材料
SMC (CF)
熱可塑系樹脂
GMT : Glass Mat Thermoplastics
SMC : Sheet Molding Compound
20
40
60
・成形時間が短い
・リサイクル可能
・含浸が難しい
繊維体積含有率(Vf%)
2/79
目次
1 連続繊維強化複合材料の研究開発動向
2 連続繊維強化熱可塑性複合材料成形のための中間材料
3 連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の界面と含浸の協調関係
4 連続繊維強化熱可塑性複合材料のハイサイクル成形技術
4.1 電磁誘導加熱システム
4.2 引抜成形システム
3/79
連続繊維強化CFRTPの
ハイサイクル成形技術
1 連続繊維強化複合材料の研究開発動向
4/79
研究開発動向(1)
新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)
(省エネルギー技術開発プログラム)
「自動車軽量化炭素繊維強化複合材料の研究開発」
事業期間:平成15年度~19年度
PL:北野 彰彦(東レ株式会社 複合材料研究所長)
自動車用軟鋼板の車体に対して重量を50%軽量化でき、かつ安全性(エネ
ルギー吸収量:スチール比1.5倍)を備えた車両の構造部材を開発する。
また、成形サイクル時間を10分以内とする製造技術の開発を目指す。
本研究開発では、高張力鋼より高強度で大幅な軽量化効果が期待できる
連続繊維(炭素繊維など)強化複合材料を用い、複合材料の設計、成形か
らリサイクルに係わる技術を開発し、実用化へと展開を図る。
5/79
研究開発動向(1) 高速成形技術
バギ
樹脂含浸 ング
基材
配置
RTM
25
樹脂硬化
90
35
ハイサイクル
一体成形法 1 3 5 1
(単位:分)
脱
型
10
合計
合計
10分以下
160分
160分かかっていた成形時間を10分に短縮します。そのためには、
超高速硬化型樹脂と高速樹脂含浸技術の開発が不可欠です。
硬化度 (%)
超高速硬化型樹脂と高速樹脂含浸技術 東レ(株)
脱型
可能
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
連鎖機能付与
新重合法 105℃
新重合法 100℃
0
2
4
6
8 10 12
時間 (分)
14
16
18
20
流動
可能
3分流動・5分硬化となる樹脂の開発に成功しました。
また、本樹脂の特性を最大限に発揮する樹脂注入方法を開発しました。
6/79
研究開発動向(2)
新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)
(エネルギーイノベーションプログラム・ナノテク・部材イノベーションプログラム)
「サステナブルハイパーコンポジット技術の開発」
事業期間:平成20年度~24年度
PL:高橋 淳(東京大学 大学院工学系研究科 教授)
本プロジェクトは、炭素繊維複合材料の易加工・高強度を実現す
るための基盤技術として、炭素繊維と熱可塑性樹脂による短時
間成形が可能な(1)易加工性中間基材の開発を行います。さら
にこの中間基材を用いた(2)高速成形加工技術の開発、(3)部
材同士の結合部の強度を保持する接合技術の開発を行うととも
に、(4)リサイクル技術の開発を実施し、自動車等の更なる軽量
化と燃費の大幅改善を可能にします。
7/79
サステナブルハイパーコンポジット開発材料のターゲット
一方向性CFRTP基材のコア技術
・繊維-樹脂の接着性向上
・樹脂の含浸性向上
力学特性(強度・剛性・耐衝撃性・耐久性)
開発基材
高速プレス成形
連続繊維基材
連続繊維
(プリプレグ)
ハンドレイアップ/
オートクレーブ成形
強度部材(フレームなど)
ランダム基材
ランダム基材
スタンピング
成形
中繊維
(SMC)
プレス成形
等方性CFRTP基材のコア技術
・繊維-樹脂の接着性向上
・繊維分散性の向上
等方性基材
複雑形状部材(パネルなど)
スタンピング
成形
RTM
(織物)
RTM成形
等方性基材
従来基材
熱硬化系
短繊維
ペレット
射出成形
1分
量産車
熱可塑系
15分
150分
25時間
高級車
航空機/レーシングカー
生産サイクルタイム(型占有時間)
8/79
一方向性CFRTPの多様な中間基材、製品
中間基材
素材
炭素繊維
高速プレス成形
(2分以内)
積層
接合
連続繊維シート
熱可塑性樹脂
部材
中間製品
製織
連続繊維材+
ランダム
接合によるパイプ
クロス(平織)
含浸技術
カット
ランダム
ランダムシート
プリプレグ
テープ
高速内圧成形
製紐
ブレード
(7分以内)
シームレスパイプ
9/79
Japanese National Projects For Mass Production CFRP Automobile
2008
2009
2010
2011
2012
CFRTP (material) Project 40M$
 Parts replacement
 High cycle molding
 In-plant waste recycling
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
CFRTP (structure) Project (2013-2022) 120M$
 Composite design
 High cycle manufacturing
 Market waste recycling
METI, NEDO, +5 (+5)
PL: Prof. Takahashi (LCIC)
METI, +25 (+9)
PL: Prof. Takahashi (LCIC), Prof. Ishikawa (NCC)
LCIC, Mitsubishi Rayon, Toray,
Toyobo, Takagi Seiko
(Kyoto Institute of Tech.,
Shizuoka Uni., Tohoku Uni.,
Toyama Uni., Yamagata Uni.)
LCIC, NCC, ICC, Tokyo Institute of Tech., Fukui Pref., JFCC,
NIMS, Mitsubishi Rayon, Toho Tenax, Toray, Toyobo,
Shimadzu, Aisin Seiki, Fukui Fibertech, KADO Corporation,
Komatsu, Kyowa, Takagi Seiko, IHI, SHI, Honda,
Mitsubishi Motors, Nissan, Suzuki, Toyota (GCC, Tohoku
Uni., Yamagata Uni., AIST, JAXA, DOME, Taiseiplas, Meiki,
Toray Engineering)
Innovative CF Project
 Productive & low cost
METI, +5
GM: Prof. Kageyama, PL: Prof. Hatori (LCIC)
LCIC, AIST, Mitsubishi Rayon, Teijin, Toray
連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料成形の問題点
連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料とは
連続繊維
短繊維を用いた複合材料に比べて、
高剛性、高強度であり、耐衝撃性に優れる。
熱可塑性樹脂
化学反応を必要としない。
二次加工性、リサイクル性にも優れる。
Ⅱ - KM
問題点
【1】連続繊維および熱可塑性樹脂を用いることから含浸が困難。
【2】熱可塑性樹脂と強化繊維との界面特性が低い。
【3】融点が高いため、金型の加熱および冷却に時間がかかる。
⇒連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の革新的な
高サイクル成形システムはいまだ確立されていない。
11/79
連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料のハイサイクル成形
成形サイクルの短縮のためには、
以下の三つの観点から取り組む必要がある。
①繊維状中間材料の開発(含浸時間の短縮)
②繊維/樹脂界面の最適化
(界面特性と濡れ性の両立)
③ハイサイクル成形技術の開発
(成形時間>含浸時間)
12/79
連続繊維強化CFRTPの
ハイサイクル成形技術
2 連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料
成形のための中間材料
13/79
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
含浸とは・・・
強化材の周囲の空気をマトリックス樹脂と置換すること
Wet-through: ストランドの周囲の空気がマトリックス樹脂と置換すること
Wet-out:
フィラメントの周囲の空気とマトリックス樹脂が置換し、
強化材の周囲に空気層がなくなること。
日本複合材料学会誌, 34, 5 (2008), 201-204
14/79
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
含浸時間の予測式
 V

a

2k
 1
 Vf
  含浸時間の予測式
 V



2


t 

I
2
k

1
d
3
 V
 

P

 



t

I
V
2
a

 V
 P
rf
1
r 
 1
 Vf

 V





a
f
3
2
f
2
d
a

f

⊿t : 含浸時間
η :粘度
Id :含浸距離
rf:繊維半径
⊿P:圧力差
k*:透過率
Va:最大繊維体積含有率
Vf:未含浸領域内の繊維体積含有率
15/79
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
含浸距離
含浸距離=繊維状中間材料(円と仮定)の半径
Id 
n f cos 30o

d
f
 af 
df
nf
2
Vf
 rf
nf
Vf
16/79
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
含浸時間の算出例
Vf
Δt
0.65
0.5
1分30秒
Va
0.83
0.6
5分22秒
rf
3.5×10-6 m
0.7
33分32秒
ΔP
3.9
MPa
η
700
Pa・s
rf
Δt
K*
0.2
8.5×10-6
12分14秒
nf
12000
3.5×10-6
12分15秒
nf
Δt
3000
3分2秒
6000
6分7秒
12000
12分15秒
パラメータ
値
Vf
単位
17/79
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
中間材料(予備含浸テープ)
・Pre-impregnated Tape
あらかじめ強化繊維に樹脂を含浸させておいたもの
連続繊維一方向強化薄肉テープの形態で用いられる
圧縮成形、オートクレーブ成形、テーププレイスメント技術
利点
完全に含浸しているため成形時間が短い
繊維配向が制御しやすい
繊維体積含有率が正確で、
繊維が均一に分散している。
力学的特性が安定している
欠点
一般にコストが高い
剛性が高く、タック性が無い
適用可能な形状が平面や単純な局面に
限られる。
18/79
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
中間材料(フィルムスタッキング法)
・Film Stacking Method
繊維を樹脂のフィルムではさむことによって作製される
利点
簡便な手法である
プリプレグよりもドレープ性に優れる
樹脂(フィルム状)が入手しやすい
繊維と樹脂の組合せが自由である
欠点
積層等に人手を要する
ドレープ性が低い
含浸距離が大きい(mm単位)
繊維と樹脂の混錬状態が悪い
含浸性が悪い
19/79
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
中間材料(Powder Impregnated Yarn)
・Powder Impregnated Yarn
含浸向上のため強化繊維にパウダーを付着させたもの
強化繊維に樹脂を混ぜる過程において、
流動層あるいは流体スラリー法が用いられる。
利点
マトリックスの選択肢が広い(粒子状)
欠点
粒子の分散を制御するのが難しい
粒子が離脱しやすいため取り扱いが困難
かさ高いため成形が困難
曲げ剛性が高く、摩擦係数も高い
テキスタイル加工が難しい
20/79
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
中間材料(Commingled Yarn)
・Commingled Yarn
強化繊維に樹脂繊維を混繊させたもの
利点
含浸特性に優れる
繊維と樹脂の混繊度合いが高い
含浸距離が短く、含浸時間が短い
Powder Impregnated Yarnと比較して
低コストである
柔軟性を有しており、摩擦係数も低い
欠点
混繊中に強化繊維が損傷を受ける
繊維と樹脂の組合せが限られる
織物や組物など次の工程において繊維が
損傷を受ける
コストが高い
21/79
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
中間材料(カバーリングタイプ)
強化繊維
利点
強化繊維に損傷を与えにくい
適用可能な材料が多い
さらなる製織プロセスに適応可能
樹脂繊維
丸打組機
樹脂と強化繊維の比率制御が可能
含浸距離を変化させることが可能
強化繊維
欠点
含浸距離が大きい(mm単位)
樹脂繊維
繊維と樹脂の混錬状態が悪い
含浸性が悪い
かさ高いため成形が困難
Micro braided yarn
22/244
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
Micro-braided Yarnの特長
Film stacking method
Void
Film
Reinforcing fiber bundle
Mold
Compression molding using
Micro-braided yarn
Micro braided yarn
23/79
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
繊維状中間材料のテキスタイル形態への応用
Stitching yarn
Aligned unidirectional
fiber bundles
Warp knitting technique
Flat braided fabric
Multi-axial warp knitted fabric
Plain knitted fabric
24/79
断面写真
多軸挿入編物強化熱可塑性複合材料
25/79
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
中間材料(含浸が完了したもの)
TEPEX ® 連続繊維熱可塑CFRTP
(Bond Laminates社)
CETEX®
(TENCATE社)
26/79
連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料のハイサイクル成形
成形サイクルの短縮のためには、
以下の三つの観点から取り組む必要がある。
①繊維状中間材料の開発(含浸時間の短縮)
②繊維/樹脂界面の最適化
(界面特性と濡れ性の両立)
③ハイサイクル成形技術の開発
(成形時間>含浸時間)
27/79
連続繊維強化CFRTPの
ハイサイクル成形技術
3 連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の
界面と含浸の協調関係
28/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
界面特性とは
連続炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料
問題点 ①
熱可塑性樹脂は溶融粘度が高いため、
強化繊維束内への含浸が難しい。
問題点 ②
熱可塑性樹脂と強化繊維との界面特性が低い。
ぬれ性が高い
ぬれ性が低い
界面特性を制御することは、成形および材料設計において
重要な因子になると考えられる。
29/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
目的
CF/PP連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を作製し、
炭素繊維とPP樹脂の繊維/樹脂の界面接着性と含浸特性の
協調関係および力学的特性に及ぼす影響について検討を行った。
界面接着性
含浸特性
力学的特性
30/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
材料(サイジング剤量の影響)
Matrix
Carbon fiber
Grade
Amount of sizing
agents (%)
Tensile
modulus
(GPa)
Tensile
strength
(MPa)
T700SC-12000-60E
T700SC-12000-31E
T700SC-12000-H0C
T700SC-12000-50C
0.2
0.6
1.0
1.1
230
4900
PP Fiber
Maleated PP fiber(MAPP)
MFR=9
MFR=9
Fineness ・・・ 19.8tex
Fineness ・・・ 19.8tex
31
31/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
マイクロドロップレット法(界面接着性)
マイクロドロップレット試験
Fs Fs
s 
dl τs
To load
cell
: 引抜時の荷重
: 界面せん断強度
Fiber diameter, dFiber
単繊維に樹脂粒(ドロップレット)を付着させ、
ドロップレットが繊維から剥がれる際の
Embedded Fiber length, 荷重から、界面せん断強度が得られる。
l
32
32/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
ぬれ性測定(含浸特性)
炭素繊維とPPとのぬれ性を評価するため、ぬれ性評価を行った。
マイクロ
スコープ
PP樹脂
樹脂
炭素繊維
ホットプレート
測定温度:200℃
繊維と樹脂の接触角をマイクロスコープにより測定した。
33/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
一方向材成形方法 (含浸特性)
Spring
Central fiberfiber
(CF)bundle
Reinforcement
Reinforcing fiber bundle
Compression
molding
Matrix resin
fiber
Matrix
resin
fiber
Die
Braiding
yarn
(PP fiber)
Micro-Braided
yarn
(MBY)
Metallic frame
Molding press:10 MPa, Molding temperature:200℃,
成形圧力Molding
:10MPa,
time:5, 10, 20, 40 min
成形温度 :200℃
成形時間 :5, 10, 20, 40, 60min
一方向成形品
34/79
断面観察および未含浸率測定法
繊維束
未含浸領域
樹脂
未含浸率(%)=
35
35/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
評価方法
・界面接着性
界面せん断強度
マイクロドロップレット法
・含浸特性
ぬれ性評価、一方向材の断面観察
・力学的特性
一方向材を用いて三点曲げ試験
接触角・未含浸率
弾性率・強度
36/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
未含浸率とサイジング剤量
5min
0.6%
0.0%
0.3%
Molding time
10min
1.8%
0.5%
0.0%
0.0%
20min
1.4%
0.5%
0.0%
0.0%
40min
1.3%
0.0%
0.0%
0.0%
Un-impregnation ratio (%)
6
3.6%
0.2
5
0.6
1.0
4
1.1
3
2
1
0
0
60min
0.7%
0.0%
0.0%
20
40
60
Molding time (min)
80
0.0%
37/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
界面せん断強度(マレイン酸処理の影響)
Interfacial strength (MPa)
50
40
30
Triple or quadruple
PP
MAPP
20
10
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Sizing content (%)
By using MAPP, interfacial shear strength was greatly
38 improved
38/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
(MPa)
strength
shear
Interfacial
(MPa)
strength
Interfaccial
界面せん断強度とサイジング剤量
12
10
8
6
4
2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Sizing content (%)
The interfacial shear strength was decreased linearly with increasing the sizing
content. Too much sizing content inhibited adhesion between
39 CF and PP.
39/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
含浸状態(マレイン酸処理の影響)
Sizing content (%)
0.2
MAPP
5min
Molding time
0.3%
59%
20min
0.0%
55%
40min
0.0%
48%
70
Um-impregnation ratio (%)
PP
CF/PP
60
CF/MAPP
50
40
30
20
10
0
0
60min
0.0%
20
40
60
Molding time (min)
80
35%
Use for mechanical test
unimpregnation
ratio(%)
40
40/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
力学的特性(マレイン酸処理の影響)
167%UP
50
Strength (MPa)
Modulus (GPa)
60
40
30
20
10
0
CF/PP
CF/MAPP
400
350
300
250
200
150
100
50
0
220%UP
CF/PP
CF/MAPP
The mechanical properties was increased by using MAPP.
41
41/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
材料(表面処理の影響)
Low molecular weight polypropylene (L-PP)
Non-ionic polypropylene emulsifying agent (PP-emulsion)
Carbon fiber
Grade
Low molecular
weight PP &
emulsion PP
Matrix
T700SC-12000
Amount of low- Tensile
Amount of sizing
molecular-weight strength
agents (%)
PP (%)
(MPa)
0
0
0.6
1.4
2.5
3.5
8
4900
PP Fiber
Maleated PP fiber(MAPP)
MFR=9
MFR=9
Fineness ・・・ 19.8tex
Fineness ・・・ 19.8tex
42
42/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
界面せん断強度(表面処理の影響)
Interfacial shear strength
(MPa)
20
L-PP-PP
18
L- PP-MAPP
16
PP-emulsion-PP
14
PP-emulsion-MAPP
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
Surface treatment content (wt%)
In the case of CF/PP with L-PP, the interfacial shear strength was increased until 1.8 wt% and
then decreased over 1.8 wt%. While for the surface treatment with PP-emulsion, the interfacial
shear strength was increased until 1.8 wt% and then kept constant value with increase.
In the case of CF/MAPP, the interfacial shear strength was decreased until 3.5 wt% and then kept
constant value for both L-PP and PP-emulsion. In the case of CF/PP and CF/MAPP treated with
43/79
PP-emulsion, the interfacial strength was higher than that treated with L-PP.
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
含浸状態(表面処理の影響)
CF/MAPP
CF/PP
Impregnation 100%
Impregnation 60%
Untreated
Impregnation 97%
Impregnation 79%
L-PP
Impregnation 100%
Impregnation 100%
PP-emulsion
In the case of untreated
specimens, the impregnation
ratio of CF/PP was higher than
CF/MAPP. In the case of
CF/PP, the impregnation ratio
was slightly decreased by L-PP.
While in the case of CF/PP
treated
with
PP-emulsion,
impregnation ratio was 100 %
as same as untreated one,
moreover, the fibers were
highly dispersed compare with
untreated one. In the case of
CF/MAPP, the impregnation
ratio was increased by L-PP and
the impregnation ratio was
increased to 100% by PPemulsion.
44/79
②繊維/樹脂界面の最適化(界面特性と濡れ性の両立)
力学的特性(表面処理の影響)
Bending strength (MPa)
500
450
400
Untreated
L-PP
PP-emultion
350
300
250
200
150
100
50
0
CF/PP
CF/MAPP
In the case of untreated specimen, the bending strength of CF/PP was lower than
CF/MAPP. The strength of CF/PP was drastically improved by surface treatment and
the increasing ratio by PP-emulsion was higher than that by L-PP. In the case of
45/79
CF/MAPP, the strength was slightly improved by the surface treatment.
連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料のハイサイクル成形
成形サイクルの短縮のためには、
以下の三つの観点から取り組む必要がある。
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
②繊維/樹脂界面の最適化
(界面特性と濡れ性の両立)
③ハイサイクル成形技術の開発
(成形時間>含浸時間)
46/79
連続繊維強化CFRTPの
ハイサイクル成形技術
4 連続繊維強化熱可塑性複合材料の
ハイサイクル成形技術
4.1 電磁誘導加熱システム
47/79
③ハイサイクル成形技術の開発
連続繊維強化熱可塑性樹脂の成形方法
ホットプレス成形法など
金型の加熱・冷却時間が長いため、量産化する場合には、
予備加熱装置や多段の成形金型などが必要である。
高速で昇温する技術
電磁誘導加熱
高周波による表皮効果を用いて導体表面に電流を集中させ、
渦電流による発熱を利用する技術
48/79
③ハイサイクル成形技術の開発
電磁誘導加熱技術の応用
射出成形のノズル部分の加熱
S. Sekiguchi, Hot runner system by injection heating,
Die and Mould Technology, Vol. 20, oo,31-34 (2005)
射出成形における入れ子の加熱
Y. Murata, K. Kino, T. Akaike, H. Hida, T. Yokota,
Improvement on Appearance of Injection Molded Products by Induction Heating Mold
Die and Mould Technology, Vol. 22, No.8, pp.52-53 (2007)
熱可塑性樹脂複合材料の接合
L. Moser, P. Mitschang and A. K. Schlarb,
Automated Welding of Complex Composite Structures, ACCM-6, pp.23-26 (2008)
圧縮成形の加熱装置
A. Guichard and J. Feigenblum,
High-speed processing: using electromagnetic induction
JEC-Composites, pp. 94-96 (2004)
49/79
③ハイサイクル成形技術の開発
電磁誘導加熱プレス成形
Cage System ® (Roctool製)
コイルに交流電流を流し磁界を発生させ、コイルの中の被加熱物(電気誘導体)の
表面に渦電流を誘起し、電流の流れる部分が発熱(ジュール熱)する原理
(電磁誘導加熱)を応用した技術。
上下の金型を囲うように設置された
コイルに電流を流し、磁界を発生させ、
電磁誘導によって金型表面のみが
加熱される。
金型内の冷却パイプに冷却水を
通す事で金型を冷却する事が可能である。
材料, Vol.58, No.7, pp.642-648, 2009
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③ハイサイクル成形技術の開発
電磁誘導加熱プレス成形システム
Cage System ® (Roctool製)
上下の金型を囲うように設置された
コイルに電流を流し、磁界を発生させ、
電磁誘導によって金型表面のみが
加熱される。
金型内の冷却パイプに冷却水を
通す事で金型を冷却する事が可能である。
材料, Vol.58, No.7, pp.642-648, 2009
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③ハイサイクル成形技術の開発
金型温度の比較
電磁誘導加熱プレス成形システム
真空機付き加熱プレス成形システム
(IH system)
金型表面部分のみを加熱するため、熱容量が小さく、短時間で加熱・冷却を
することが出来る。
⇒材料を予備加熱する必要がなく、
材料を金型内に保持したまま高速で加熱と冷却を行うことができる。
材料, Vol.58, No.7, pp.642-648, 2009
52/79
③ハイサイクル成形技術の開発
電磁誘導加熱による炭素繊維の加熱特性
IH system は電磁誘導により、j金型だけでなく、炭素繊維自体にも誘導電流が
発生するため、材料内部からも発熱させる事が可能である。
材料, Vol.58, No.7, pp.642-648, 2009
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③ハイサイクル成形技術の開発
含浸と力学的特性
材料, Vol.58, No.7, pp.642-648, 2009
IH system を用いると、素材である炭素繊維に誘導電流が流れ発熱するため、
炭素繊維への樹脂の含浸が促進され、ホットプレス成形に比べて、低い成形圧力、
短い温度保持時間で樹脂を含浸させる事ができる。
54/79
連続繊維強化CFRTPの
ハイサイクル成形技術
4 連続繊維強化熱可塑性複合材料の
ハイサイクル成形技術
4.2 引抜成形システム
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③ハイサイクル成形技術の開発
熱硬化性樹脂複合材料の引抜成形
繊維強化材をマトリックスに含浸して型
(ダイ)に引き込み、型の中でマトリックスを
加熱硬化させる工程を連続で行う成形方法。
■長所
・ 連続した同断面の成形に適している
・ 量産性に優れている
・ 強化基材を切断しないので
強度特性に優れている
■用途例
ロッド、パイプ等
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③ハイサイクル成形技術の開発
熱可塑性樹脂複合材料の引抜成形ライン
Schematic of a typical pultrusion line[1].
• Preform guidance
• Preheater
• Consolidation die assembly
– Heated die
– Cooled die
• Pulling mechanism
• Cut-out saw
1. Carlsson et al., Poly. Comp., 29, 1998.
57/79
③ハイサイクル成形技術の開発
プリフォームガイド
• Axial fibers or tape: Creels and tensionning
• Pull Winding: Combine pultrusion and filament winding[1]
• Pull Braiding: Combine pultrusion and braiding[2]
Schematic of a pull braiding line[2].
1. Jiang et al., SAMPE 1998
2. Michaeli et al.,Comp. A Appl. Sci. Manuf., 28, 1996.
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③ハイサイクル成形技術の開発
予備加熱(Pre-heater)
• Bring the material near melting point to reduce
heating time
• Design guide-lines:
– Noncontact (to prevent sticking)
– Continuous (to prevent overheating and degradation)
– Uniform (to minimize temperature variations within the laminate)
• Types:
– Hot air
– Radiation
– Contact
• Notes:
– In the case of prepreg tape: preheating temperature should be
lower than melt. Melted matrix causes fiber relaxation and
degrade product surface aspect.
– High preheating temperatures increase the risk for matrix
degradation
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③ハイサイクル成形技術の開発
金型構成
Thermocouple
Taper length
Consolidation
length
Cooling length
Heating
cartridge
Part thickness
Taper
angle
Cooled die
Heated die
Cooling
channel
Cross-section of an pultrusion die assembly[1].
Heated Die:
• Function:
– Heat material to process
temperature
– Apply pressure for consolidation flow
•
•
•
Material: Hard steels, chrome
steels
Finish: Highly polished, chromed
Taper angle: ~ 2 – 5°
1. Carlsson et al., Comp. A Appl. Sci. Manuf., 29, 1998.
Cooled Die:
• Function:
–
–
•
Cool composite to prevent
warpage and void nucleation
Control crystallization
Constant cross section
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③ハイサイクル成形技術の開発
含浸工程
Representation of the impregnation process in pultrusion die[1].
Macroscopic flow
• Back flow
• Around dry fiber
bundles
1. Kim et al., Comp. Sci. Tech., 61, 2001
Microscopic flow
• Inside fiber bundle
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③ハイサイクル成形技術の開発
Dual scale flow
Microscopic flow in dry fiber bundles[2].
Velocity profile in the macroscopic flow[1].
Macroscopic flow
•
•
Resin flow around fiber bundle
Navier-Stokes (non linear)
Microscopic flow
•
•
Radial flow in porous media
Darcy’s law (linear)
•
Pressures:
dr 1 K dP

dt  1 V f  dr
–
–
–
–
•
Applied pressure (enhancing flow)
Capillary pressure (enhancing or resisting flow)
Void pressure (resisting flow)

Spring-like
pressure from fiber bed (resisting flow)
Viscosity of melted resin: Power-law fluid
  m 1n
1. Sala et al., Comp. A Appl. Sci. Manuf., 28, 1997.
2. Kim et al., Comp. Sci. Tech., 61, 2001.
•
Permeability: Vary depending of fiber bed
compaction
62/79
③ハイサイクル成形技術の開発
引抜成形条件
• Pultrusion speed:
– Between 2 mm/s and 300 mm/s
– Good results are at low extrusion speeds (e.g., 2 - 4 mm/s)
• Preheating temperature
– Usually close to melting temperature (0,98*Tm)
• Consolidation die taper angles: < 5°
• Filling ratios:
– Between 100% and 130% (over filling)
– Average around 110%
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③ハイサイクル成形技術の開発
L型部材引抜成形システム
48 carrier circular braiding
machine
Forming
assembly
Pulling
device
Die
Pre-heater
Forming Assembly: Die and preheater
Pull-Braiding Setup
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③ハイサイクル成形技術の開発
成形事例(4) ーL型部材ー
65/79
③ハイサイクル成形技術の開発
L型部材引抜成形システム(動画)
Braid-Trusion of Carbon/Nylon (PA66) Parallel Hybrid Yarn Thermoplastic Composites 1
1. Lebel L L, Tanaka Y, Torun A R, Ohtani A, and Nakai A. 8th Joint Canada-Japan
Workshop on Composites. 2010. Montreal, Canada
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③ハイサイクル成形技術の開発
含浸メカニズムの解明
Object
The objective of this study is to clarify the impregnation-process on pultrusion.
After stopping the pultrusion and cooling all over the night,The molding pulled
out from molding die and observed each part.
Specimen
Used Fiber
Commingled yarn(GF/PP)
Owens corning japan
Condition of braided fabric
Braiding angle:60°
layers:2
Braiding yarn (BY):16
Middle end yarn (MEY):8
67
67/79
③ハイサイクル成形技術の開発
成形条件
H8 H7 H6
H5
H4
H3
H2
H1
Pre:far-infrared heater Mn:mandrel
Each set temprerature
Measuring
point
Mn
H8
H7
H6
H5
H4
H3
H2
H1
Pre
temprerature
(℃)
130
165
175
185
200
200
200
200
200
150
Molding speed:32mm/min
After stopping the pultrusion and cooling all over the night,The molding
pulled out from molding die and cut at intervals of 5cm and observed each part
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③ハイサイクル成形技術の開発
観察箇所および温度履歴
金型入口
The entrance of
die
テーパエンド
Taper
end
金型出口
The
exit of die
I
H
G
F
The exit of die
E
D
C
B
A
The entrance of die
Temperature history
250
The speed in the molding die:21mm/min
200
The speed measured at exit:32mm/min
150
100
theory
Real
50
Molding temperature (℃)
J
differnt
Braided fabric became extended
by changing braiding angle
0
35
30
25
20
15
Molding time (min)
10
5
0
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③ハイサイクル成形技術の開発
真の成形時間の概念
Taper area
End of taper
310
300
290
280
270
260
250
240
230
220
210
It is not
pressured.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
The essential molding
Position (mm)
It doesn't reach the
The molding length
length
melting point
Temperature(℃)
Temperature(℃)
Taper area
End of taper
310
300
290
280
270
260
250
240
230
220
210
No.1
No.2
No.3
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Position (mm)
Point where temperature reached maximum
temperature 290 degrees of die
The
molding
Theessential
molding
time time
==
The
length Length
Themolding
essential molding
Pultrusion
speed
Pultrusion
speed
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③ハイサイクル成形技術の開発
途中止め実験結果
金型出口
Taper end
Exit
J
I
G
Exit
25
F
E
D
C
Taper end
B
Entrance
金型入口
Entrance
A
250
Essential molding area
200
20
Measuring point
15
Un-impregnation
ratio(%)
J
I
H
G
F
E
D
C
5.01 4.95 4.28 4.46 4.90 7.72 11.1 19.9
B
A
-
-
150
10
100
5
Molding temperature (℃)
Un-impregnation ratio (%)
H
Setting temperature:200℃
50
theory
理論温度履歴
Real
実際の温度履歴
0
35
30
25
20
15
Molding time (min)
10
5
0
71/79
③ハイサイクル成形技術の開発
引抜成形まとめ
熱可塑性樹脂複合材料の成形に
おいては、化学変化を伴わないため
短時間で成形可能であるとはいうも
のの,金型温度を成形温度まで上
昇、融点以下まで冷却する必要があ
り、従来の加熱圧縮成形法では量
産化が困難であった。
このような背景において、金型を加
熱・冷却せず、加熱金型および冷却
金型内を、材料を連続的に引き抜く
ことで成形が可能な引抜成形法は、
連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材
料の高速成形加工技術の1つとなる
可能性を十分に有している。
72/79
③ハイサイクル成形技術の開発
中空閉断面構造体の適用
73/79
③ハイサイクル成形技術の開発
管継手形状を有する組物作製技術
74/79
③ハイサイクル成形技術の開発
組機の構成
スピンドル
繊維
Guide-ring1
Guide-ring2
管継手形状を有するマンドレル
旋回機構付引取装置
75/79
③ハイサイクル成形技術の開発
高周波誘導加熱装置による高速内圧成形法
76/79
③ハイサイクル成形技術の開発
管継手形状を有する組物複合材料成形品
77/79
全体まとめ
真の成形時間
(温度、圧力が負荷される時間)
>
含浸時間
(含浸に必要な時間)
78/79
全体まとめ
一方、成形サイクルの短縮のためには、以下の三つの観点
から取り組む必要がある。
①繊維状中間材料の開発(含浸距離の短縮)
②繊維/樹脂界面の最適化
(界面特性と濡れ性の両立)
③ハイサイクル成形技術の開発
これらの観点から総合的に取り組むことによって、連続繊維
強化熱可塑性複合材料の応用展開は大幅に拡大するものと
期待する。
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