現在、複合材料構造の製造プロセスは数多くあり、さまざまな構造の製造や製造に適用できます。しかし、航空業界、特に民間航空機の産業生産効率と生産コストを考慮すると、硬化プロセスを改善して時間とコストを削減することが急務となっています。ラピッドプロトタイピングは、離散成形と積層成形の原理に基づいた新しい製造方法であり、低コストのラピッドプロトタイピング技術です。一般的な技術には、圧縮成形、液状成形、熱可塑性複合材料成形などがあります。
1. 金型プレスラピッドプロトタイピング技術
成形のラピッドプロトタイピング技術は、あらかじめ配置されたプリプレグブランクを成形金型に配置し、金型を閉じた後、加熱と圧力によってブランクを圧縮および固化するプロセスです。成形速度が速く、製品サイズが正確で、成形品質が安定して均一です。自動化技術と組み合わせることで、民間航空分野における炭素繊維複合構造部品の大量生産、自動化、低コスト製造を実現できます。
成形手順：
① 生産に必要な部品の寸法に合わせた高強度の金型を用意し、プレス機に取り付けて加熱します。
② 必要な複合材料を金型の形状に予備成形します。予備成形は、完成した部品の性能を向上させるのに役立つ重要なステップです。
③ 加熱した金型に予備成形品を挿入します。次に、通常 800 psi ～ 2000 psi の範囲の非常に高い圧力で金型を圧縮します (部品の厚さと使用する材料の種類によって異なります)。
④ 圧力を解除した後、金型から部品を取り外し、バリを取り除きます。
成形の利点:
さまざまな理由から、成形は人気のある技術です。人気の理由の一つは、先進的な複合材料を使用していることです。金属部品と比較して、これらの材料は多くの場合、より強く、より軽く、より耐食性があり、その結果、より優れた機械的特性を備えた物体が得られます。
成形のもう 1 つの利点は、非常に複雑な部品を製造できることです。この技術はプラスチック射出成形の生産速度を完全に達成することはできませんが、典型的な積層複合材料と比較して、より幾何学的な形状を提供します。プラスチックの射出成形と比較して、より長い繊維を使用できるため、材料の強度も高くなります。したがって、成形はプラスチック射出成形と積層複合材料製造の中間点とみなすことができます。
1.1 SMC成形プロセス
SMCとは、Sheet Metal Forming Composite Materialsの略で、シートメタルフォーミングコンポジットマテリアルのことです。主原料はSMC特殊糸、不飽和樹脂、低収縮剤、充填剤、各種添加剤で構成されています。1960 年代初頭にヨーロッパで初めて登場しました。1965年頃からアメリカと日本が相次いでこの技術を開発しました。1980 年代後半、中国は海外から先進的な SMC 生産ラインとプロセスを導入しました。SMC には、優れた電気的性能、耐食性、軽量、シンプルで柔軟なエンジニアリング設計などの利点があります。その機械的特性は特定の金属材料に匹敵するため、輸送、建設、電子、電気工学などの業界で広く使用されています。
1.2 BMC成形プロセス
1961年、ドイツのバイエル社が開発した不飽和樹脂シートモールディングコンパウンド（SMC）が発売されました。1960 年代に、ヨーロッパでは DMC (Dough Molding Compound) としても知られるバルク モールディング コンパウンド (BMC) が普及し始めました。初期段階 (1950 年代) では増粘されていませんでした。アメリカの定義によれば、BMC は濃厚な BMC です。ヨーロッパの技術を受け入れた後、日本は BMC の応用と開発において大きな成果を上げ、1980 年代までにその技術は非常に成熟しました。これまで、BMC に使用されていたマトリックスは不飽和ポリエステル樹脂でした。
BMCは熱硬化性プラスチックに属します。材料の特性に基づいて、材料の流れを促進するために射出成形機の材料バレルの温度が高すぎてはなりません。したがって、BMCの射出成形プロセスでは、原料バレルの温度管理が非常に重要であり、供給部から成形部まで最適な温度を実現するために、温度の適切性を確保するための制御システムが導入されている必要があります。ノズル。
1.3 ポリシクロペンタジエン(PDCPD)成形
ポリシクロペンタジエン (PDCPD) 成形品のほとんどは、強化プラスチックではなく純粋なマトリックスです。1984 年に登場した PDCPD 成形プロセス原理は、ポリウレタン (PU) 成形と同じカテゴリーに属し、米国と日本によって最初に開発されました。
Telene は日本ゼオン株式会社の子会社 (フランス、ボンデュに所在) であり、PDCPD の研究開発とその商用事業で大きな成功を収めています。
RIM 成形プロセス自体は、FRP スプレー、RTM、SMC などのプロセスと比較して自動化が容易で、人件費が低くなります。PDCPD RIM で使用される金型コストは SMC よりもはるかに低くなります。例えば、ケンワース W900L のエンジンフード金型には、ニッケルシェルと鋳造アルミニウムコアを採用し、比重わずか 1.03 の低密度樹脂を使用することで、コスト削減だけでなく軽量化も実現しています。
1.4 繊維強化熱可塑性複合材料の直接オンライン成形 (LFT-D)
1990 年頃、LFT (長繊維強化熱可塑性プラスチック ダイレクト) がヨーロッパとアメリカの市場に導入されました。米国のCPI社は、ダイレクトインライン複合長繊維強化熱可塑性プラスチック成形装置および対応技術（LFT-D、ダイレクトインラインミキシング）を開発した世界初の企業です。1991 年に商業運転を開始し、この分野の世界的リーダーです。ドイツの Diffenbarcher 社は、1989 年から LFT-D 技術の研究を行っています。現在、主に LFT D、Tailored LFT (構造応力に基づいて局所的な補強が可能)、Advanced Surface LFT-D (可視表面、高表面) があります。品質）テクノロジー。生産ラインの観点から見ると、ディフェンバーヒャーのプレスのレベルは非常に高いです。ドイツの Coperation 社の D-LFT 押出システムは、国際的に主導的な地位にあります。
1.5 モールレス鋳造製造技術（PCM）
PCM (パターンレス鋳造製造) は、清華大学のレーザー ラピッド プロトタイピング センターによって開発されました。ラピッドプロトタイピング技術は、従来のレジンサンドキャスティングプロセスに適用する必要があります。まず、部品CADモデルから鋳造CADモデルを取得します。鋳造CADモデルのSTLファイルを階層化して断面形状情報を取得し、制御情報を生成します。成形プロセス中、最初のノズルはコンピューター制御によって砂の各層に接着剤を正確にスプレーし、2 番目のノズルは同じ経路に沿って触媒をスプレーします。両者は結合反応を起こし、砂を層ごとに固めて堆積を形成します。接着剤と触媒が作用する部分の砂は一緒に固まりますが、それ以外の部分の砂は粒状のままです。1 つの層が硬化した後、次の層が接着され、すべての層が接着された後に空間実体が得られます。接着剤がスプレーされていない部分は元の砂が乾いた状態のままなので、除去しやすくなります。中央の未硬化の乾燥砂を除去することで、ある程度の肉厚を持った鋳型が得られます。砂型の内面に塗料を塗布または含浸させて金属を流し込むのに使用します。
PCMプロセスの硬化温度点は通常170℃程度です。PCM プロセスで使用される実際の冷間圧延および冷間ストリッピングは、成形とは異なります。冷間敷設および冷間ストリッピングでは、金型がコールドエンドにあるときに、製品構造の要件に従って金型上にプリプレグを徐々に置き、敷設が完了した後に成形プレスで金型を閉じて一定の圧力を加えます。このとき、金型は金型温度測定機を使用して加熱されます。通常のプロセスでは、温度は室温から170℃まで上昇しますが、加熱速度は製品に応じて調整する必要があります。ほとんどがこのプラスチックでできています。金型温度が設定温度に達すると断熱・保圧を行い高温で硬化させます。硬化が完了したら、金型温度を常温まで冷却するために金型温調機を使用する必要があります。また、加熱速度も3〜5℃/分に設定し、金型を開いて部品を取り出します。
2. 液状化技術
液体成形技術 (LCM) とは、まず閉じた金型キャビティ内に乾燥繊維プリフォームを配置し、次に金型を閉じた後に液体樹脂を金型キャビティに注入する一連の複合材料成形技術を指します。圧力がかかると樹脂が流れて繊維に浸透します。ホットプレス製缶プロセスと比較して、LCM は寸法精度が高く、複雑な外観の部品の製造に適しているなど、多くの利点があります。製造コストが安く、操作も簡単です。
特に近年開発された高圧 RTM プロセスである HP-RTM (High Pressure Resident Transfer Molding)、略称 HP-RTM 成形プロセス。繊維強化材や部品を予め埋め込んだ真空密閉金型に高圧で樹脂を混合・注入し、樹脂流動充填・含浸・硬化・脱型を経て複合材料製品を得る成形プロセスを指します。 。射出時間を短縮することで、航空構造部品の製造時間を数十分以内に制御し、高繊維含有量と高性能部品の製造を実現することが期待されます。
HP-RTM 成形プロセスは、複数の業界で広く使用されている複合材料成形プロセスの 1 つです。その利点は、従来のRTMプロセスと比較して、低コスト、短サイクル、大量生産、および高品質生産（良好な表面品質）を実現できることにあります。自動車製造、造船、航空機製造、農業機械、鉄道輸送、風力発電、スポーツ用品など様々な業界で幅広く使用されています。
3. 熱可塑性複合材料成形技術
近年、熱可塑性複合材料は、高い耐衝撃性、高い靭性、高い損傷耐性、優れた耐熱性などの利点により、複合材料製造分野で国内外で研究のホットスポットとなっています。熱可塑性複合材料を使用した溶接により、航空機構造におけるリベットとボルトの接続数が大幅に削減され、生産効率が大幅に向上し、生産コストが削減されます。航空機構造の一流サプライヤーであるエアフレーム・コリンズ・エアロスペース社によると、非ホットプレス缶成形の溶接可能な熱可塑性プラスチック構造は、金属および熱硬化性複合部品と比較して製造サイクルを 80% 短縮できる可能性があります。
最適な量の材料を使用し、最も経済的なプロセスを選択し、適切な部品に製品を使用し、所定の設計目標を達成し、製品の理想的な性能コスト比を達成することが常に方向性となってきました。複合材料の実務者向けの取り組みを紹介します。生産設計のニーズを満たすために、将来的にはさらに多くの成形プロセスが開発されると思います。
投稿日時: 2023 年 11 月 21 日
