製法(8) – 圧縮成形
炭素繊維は、耐疲労性、高温耐性、高強度、高弾性率、導電性、耐放射線性、小さい熱膨張係数などの利点により、航空宇宙、インフラ、電磁波シールド、自動車製造、石油開発などの分野で広く使用されています。設計の自由度が高く、巻き取り、押出、射出、ハンドレイアップ、モールド等の様々な製造方法で製造可能です。 以下では、炭素繊維製品の最も一般的な製造方法の 1 つである圧縮成形について詳しく説明します。
圧縮成形製法の手順：
1. 埋め込みインサートの配置 (存在する場合)
埋め込み部品は通常金属でできており、導電性、熱伝導性、その他の機能特性などの製品の機械的特性を向上させることができます。
インサートを配置する前に予熱することが最善であり、インサートは位置ずれや脱落を防ぐために正確かつ安定して配置する必要があります。 インサートの使用目的が達成できず、製品の廃棄や金型の破損につながる可能性があります。
2. 材料の敷設
材料の配置は製品のサイズと密度に影響を与えるため、金型に入れる前に材料を重量法、容積法、計数法によって厳密に測定する必要があります。
重量法は正確ですが扱いにくく、断片化した繊維状の材料によく使用されます。 容積法は重量法ほど正確ではありませんが、操作が簡単で、一般的に粉体の測定に使用されます。 このカウント方法はプリプレグを敷設する場合にのみ使用されます。
3. 型締め
型締めは 2 つのステップで構成されます。
1) 雄型が材料に接触する前: サイクルを短縮し材料の変化を避けるために、低圧 (1-5-3.0MPa) が使用されます。
2) 雄型が材料に接触した後: インサートの損傷や金型からのエアの排出を避けるために、型閉速度を遅くし、高圧 (15-30MPa) をゆっくりと使用する必要があります。
4. 硬化
材料が流体状態から硬い不溶性状態に変化するプロセスを熱硬化性樹脂の固化といいます。 硬化速度は、樹脂中の低分子量成分が高分子量生成物に変化する速度に依存します。つまり、硬化速度は樹脂の分子構造に関係します。
5. 圧力の維持
金型内での樹脂の硬化プロセスは常に高温高圧下にあり、圧力維持時間は本質的に温度と圧力を維持する時間であり、硬化速度と完全に一致します。 圧力保持時間が短すぎると、冷却と減圧が早まり、樹脂の硬化が不完全になり、製品の機械的特性、電気的特性、耐熱性が低下する可能性があります。 同時に、脱型後も製品は収縮し続け、反りが発生します。
6. 脱型
成形ロッドまたは特定の埋め込み部品を備えた製品は、型から取り出す前に、まず専用工具を使用してネジを緩める必要があります。
8. 金型の洗浄
金型内に材料が残留しないように、各生産後に金型を洗浄する必要があります。 洗浄後は離型剤を塗布して次の成形が可能です。
炭素繊維複合材料に圧縮成形を採用する主な利点:
1. 生産効率が高く、専門化・自動化が容易
2. 寸法精度が高く、再現性が良い製品です。
3. 表面が滑らかで後加工が不要
4. 複雑な構造の製品を一度に成形可能
5. 大量生産のため価格が安い
炭素繊維複合材料成形のデメリット：
1. 金型製作が複雑で投資額が高い
2. 金型重量が重いため、中小規模の複合製品にのみ適しています。
金属加工技術、プレス製造レベル、合成樹脂加工性能の継続的な改善と発展により、プレスのトン数とテーブルサイズは増加し続けており、成形材料の成形温度と圧力も相対的に低下しており、大型成形品も徐々に開発中。
成形プロセスでは、温度、圧力、時間の 3 つの要素に特別な注意を払う必要があります。 温度は材料の溶融、流動、凝固に決定的な影響を与えます。 圧力を加えると、炭素繊維プリプレグの層がより強固に結合します。 時間は、金型キャビティ内の製品が固化するのに十分な時間を与えることができます。
