監修:株式会社三協製作所
カーボン加工とは
カーボン加工とは、複合材料の炭素繊維強化プラスチック (英: Carbon Fiber Reinforced Plastics , CFRP) を部品や製品の形に加工することです。
CFRPは炭素繊維と熱硬化性樹脂を組み合わせて作られた材料で、炭素繊維とプラスチックの両方の良いところを持っていて、鋼やアルミなどの金属よりも軽くて強い部品を作れます。そのため最近では航空機や自動車などの構造部品として多く使用されています。
カーボン加工では、顧客からの注文に応じて丸型、角型、多角形のチューブを始め、複雑な形状をした部品、金属等他の素材と組み合わせたハイブリット部品や、金属膜の表面処理をした部品などを製造しています。
カーボン加工の使用用途
カーボン加工は釣り竿やテニスのラケット、ゴルフのクラブなど身近な製品における金属や木の部材の置き換えにCFRPを使用することから実用化が始まりました。その後、CFRPで製造した部品が金属部品と比較して軽くて強度に優れた部品を作れることから、重量の低減が燃費の節約につながる航空機や自動車で採用されるようになりました。
加工は炭素繊維とプラスチックを積層しながら作り上げる独自の製造技術が必要ですが、炭素繊維は高価な素材です。そのためカーボン加工で作る部材は、金属で作る部材と比較して高価になります。
しかし、カーボン加工で作る部品の軽さや丈夫さの価値がコスト上昇分を吸収できると評価され、採用が広がっています。具体的には、角型や丸型の長尺チューブ、異形断面形状を持ったチューブなどが機械などの構造材として採用されています。細くても大きな荷重に耐えられるチューブが、ロボットアームに使用されています。
例えば、液晶パネル製造工場の搬送ロボットのハンド・フォークとしてカーボン加工製品が採用され、重量のある液晶パネルをハンドリングしています。
また、CFRPの低熱膨張性を活かして光学機器の構造体として使われたり、X線透過性と高剛性の特徴からＸ線透過医用ベットに採用され、電波透過特性の良さからレーダードームのカバーなどにも使われています。
このように、CFRPの様々な優れた特性を活かすことで、製造価格が高くなっても、それ以上に価格性能比の向上でメリットを見込めるものから使用用途が拡大しています。
カーボン加工の原理
1. CFRPの加工方法
CFRPは炭素繊維を樹脂で硬化した複合素材です。強い強度を持った炭素繊維に成形のしやすい樹脂を染み込ませて固めることで、任意の形や大きさを持った部材が出来上がります。
成型のために用いられるマトリックス樹脂には、一般的には熱硬化樹脂のエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などが使われています。また、熱可塑性樹脂であるナイロンやポリプロピレンなどが使われることもあります。
CFRPの成形にはいくつもの製法があり、成形品の性質は成型方法を始め、複合化される繊維の形態及びその種別、積層方向やマトリクス樹脂の種類で大きく異なることに注意が必要です。成型された部材は、さらに必要に応じて切削加工や接着加工を経て最終的な部品の形に加工されます。
2.主なCFRPの成形方法
主なCFRPの成形方法には、以下のようなものがあります。
オートクレーブ成形法
プリプレグという炭素繊維に樹脂を含ませたシート状の素材を、積層させながら加熱と加圧と真空引きを繰り返して成形する方法です。
プレス成形法
金型に加熱したプリプレグを入れて、加圧成型する方法です。
RTM成形法
RTMはレジン・トランスファー・モールディング (樹脂注入)の略で、金型内にシート状の炭素繊維を設置した後に、そこに樹脂を流し込んで硬化させる成形法です。
フィラメントワインディング成形法
糸状の炭素繊維の束を、樹脂槽に入れて樹脂を含ませた後に、マンドレルと呼ばれる芯金に糸巻のように巻きつけて、その後にオーブンで加熱成形する方法です。マンドレルは樹脂が冷えて固まった後に抜き去ります。
射出成形法
熱可塑性樹脂にカットした炭素繊維を混ぜ込んだ材料を使って、一般的なプラスチックの射出成形と同じ方法で成形する方法です。
カーボン加工の選び方
部品を外部に委託してカーボン加工で製作してもらう際には、次のような注意が必要です。
カーボン加工製品は、従来からの金属加工製品などと比較して軽くて強固に作れます。しかし、カーボン加工製品は概して従来製品と比較して製造価格が高くなります。また、成型方法や、炭素繊維と樹脂の使い方によって、品質や特性が大きく違ってきます。
また、修理が難しいため部品が破損した場合には部品ごとの取り換えになる場合が多く、使用後のリサイクルも難しいなど、使用中や使用後の問題もあります。
その一方で熱膨張率が小さい、X線や電波を通しやすい、化学的に安定しているなど、軽くて丈夫以外にも様々な優れた特性を持っています。
カーボン加工の委託先を選択の際には、CFRP部材を使用するメリット、デメリットを良く考慮した上で、価格だけではなく加工方法などでも最適な提案をしてくれる委託先を選ぶことが大切です。
本記事はカーボン加工を行う株式会社三協製作所様に監修を頂きました。
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