CAD データに基づいて作成される熱可塑性炭素繊維セミプレグによるプリフォーム材を用いた順送プレス成形法の開発
上智大学 理工学部 機能創造理工学科准教授 田中 秀岳（2019 年度 重点研究開発助成 課題研究 AF-2019002-A3）
キーワード：CFRTP，連続繊維，3D プリンタ，プレス成形，サーボプレス

１．研究の目的と背景保持しやすい．ただし，サイクルタイムと加工精度はトレ

自動車産業，航空機産業は環境問題の対策として，車体ードオフの関係にあることと，精度を落としても量産に耐の軽量化による二酸化炭素排出量の削減のため，車体・機えうる生産性を発揮するのは困難であることには注意が体への炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced必要である．

Plastics，以下 CFRP と呼ぶ)の適用が拡大してきている．自

本研究の最終目標は，3D プリントした炭素繊維と樹脂動車においては一般車乗用車への CFRP の適用が課題となの積層板を金型に適用し，自由曲面形状にプレス加工するっており，採用されているのは量産数の少ない車体のプロ手法の開発である．ポリゴンに近似した CAD データの展ペラシャフトあるいは外板のごく一部分などに留まる．こ開図を元に，3D プリンタで繊維配向を制御したプリフォ

れは，CFRP で自由曲面を成形する難しさや，サイクルタームを作成し，各種条件におけるプレス加工への最適化をイムの長さに起因する．プレスにおいては，金属と異なり図る．これにより，強度を保ちながら，ひずみ・しわ・た材料の伸びが乏しいため，成形する形状によっては圧縮ひわみのない寸法が保証された自由曲面の加工を実現する．

ずみによる強度低下が問題となる．以上のような背景から，

本論文では，基礎実験として行った半円筒面の加工と評価

CFRP の自動車産業への適用には生産効率の底上げとコスの手法およびそれらの最適化について検証した．

ト削減が課題となるが，そのためには金型内で迅速に硬化する必要がある．
日産が発表した C-RTM (Compression ResinTransfer Molding)工法 1)では，従来は 10 分かかった成形時間

２．プリフォームによる CFRTP 成形
2・1

一般的なプリフォームが 2 分まで短縮され，ハイサイクルな成形を達成している．

プリフォームは樹脂の予備成形品だが，CFRP においてしかし，自由曲面を成形する場合，プリフォームの製作では強化繊維を立体的な形状にした RTM 法等の成形用基材は明確な基準が存在せず，作業者の経験による部分が大きである．主に炭素繊維から成る織物基材を目標形状に合わい．

せて裁断・積層し，金型に入れて熱と圧力を加えたものがシート状材料を用いて，材料の伸縮を最小限に留めながプリフォームである．その後，プリフォームは型締めされ，ら立体形状を製作可能な手段として，ペーパークラフト等熱硬化性樹脂と硬化剤を高圧で注入し，硬化後に脱型する．に用いられる展開図がある．自由曲面を展開可能な形状にプリフォームを用いた成形は，自動車の外板のような単純近似する手法について，ペーパークラフト用途の展開図生な面形状に採用されやすく，中規模の量産に適している．

成の分野で研究が行われている．特に，帯状のポリゴンメ

2・2ッシュを用いて可展面に近似する手法 2)は，近似による形

本研究では，市販の熱可塑性炭素繊維強化樹脂スタンパ

本研究のプリフォーム

状変化が少なく，また，繊維束を配置する上で，繊維の連ブルシートおよび FDM 方式の 3D プリンタを用いて，熱続性の保持に有利であると考えられる．そのため，展開図可塑性樹脂のナイロンと炭素繊維からなるプリフォームを CFRP 用プリフォームに適用することで，自由曲面上を作成する．このプリフォームは目標形状を同一平面上にへの適切かつ迅速な繊維配置が可能となることが期待さ展開した形状として造形されるため，シートから裁断してれる．このような予備成形品の製作には，寸法が保証され，繋ぎ合わせる従来のプリフォームと区別して，2D プリフ

CAD モデルから展開図を生成できる容易かつ自動的なォームと呼称するものとする．2D プリフォームは型締め手法が求められる．すなわち，自由曲面を含む CAD モデされ，樹脂や硬化剤の注入は行わずに熱と圧力加える．最ルを適切な多面体に近似し，展開しなければならない．ま後に，樹脂の硬化温度まで冷却・脱型する．なお，一般的

た，展開図上の繊維の連続性を考慮する必要がある 3)．

なプリフォームにおいては，航空材料として高強度が求め生成された展開図を元に CFRP のプリフォームを出力られる構造材のように，炭素繊維の高い体積含有率を求めする方法として，付加製造法(AD: Additive Manufacturing)られることがある．本研究では構造材に適用できない体積に分類される 3D プリント技術が挙げられる．3D プリン

含有率 28%のプリフォームで実験を行うが，3D プリンタタを用いることで，ノズル経路の制御により任意の繊維配のスライサーソフト上で炭素繊維の積層を制御すること向・形状に加工できるためである．また，繊維の連続性もにより，同じ形状のプリフォームであっても体積含有率の調整が可能となる．
2・3

本研究での自由曲面プリフォーム生成方法

先行研究にて開発されたプリフォーム生成 CAM システ
ムにより，図 1 に示すように 3D-CAD で設計された自由曲面形状を中間フォーマットである IGES 形式に変換し，点群やカットラインを生成した．また，このデータをテキスト形式の幾何情報として扱い，三角ポリゴンメッシュに近似する．最後に，カットラインを用いて同一平面上に展開する．本研究の最終目標は，この展開図形状のプリフォームを 3D プリンタで造形し，金型でプレス成形すること

図2

成形実験プラットホームで，設計した自由曲面形状を近似的に得ることである．本
研究では可展面を目標形状として，作成されたプリフォー

3・2

ムを成形するための条件の最適化に着目している．

実験 1 では足踏み式油圧プレス装置（折原製作所，G-12）

油圧プレス装置を用いた．長期間に渡り連続的なストロークを維持できるように検査用バルブを備えた，足踏みペダル式の油圧プレス機である．最大出力は 70MPa である．また，一度の足踏みによる加圧が，油圧シリンダのストロークを 7mm ずつ動かし，最大ストロークは 300mm である．
3・3

サーボプレス装置

油圧プレス機では成形中の荷重の低下などが確認され，加圧力の制御が困難であった．原因として，油圧シリンダ内で油がピストンとシリンダ壁面の間から漏れていた可能性が考えられる．そこで実験 2 では，より精密な圧力制御のために導入したサーボプレス成形装置（ジャノメ製，
JP-2004）を使用した．最大・最小加圧力はそれぞれ 22kN・0.2kN であり，11kN まで 999.9 秒間加圧保持可能である．
3・4

金型

成形形状として可展面である円筒面と非可展面が組み合わされた基本的な形状とした．図 3 にスタンパブルシー
トによるプリフォーム成形実験を行う金型形状を示し，図4 に 3D プリンタで作成したプリフォームでの成形実験用の金型を示す．金型は簡易型とし，A2017 で製作した．体積の大きい方の金型の熱容量は式(1)により約 3000[J/K]で
図1

2D プリフォームを用いた CFRP の成形ある．ここで，C は熱容量，m は質量，c は比熱である．
したがって，金型の常温を 15℃とすると，例えば 265℃ま３．実験機器および手法
3・1

実験概要

で加熱するには 744.1kJ 必要である．なお，プリフォームの厚さのばらつきを考慮して，クリアランスは 450µm と本研究では CAD データに基づいて展開されたプリフォなっている．また，3D プリントプリフォーム用の金型はームによる成形加工の実証のため，2 つの実験を行った．

成形品のバリを抑制するため，キャビティ側に溝を加工し1 つは CFRTP（熱可塑性炭素繊維強化樹脂）のスタンパブて O リングを装着した．

ルシートを用いて，CAM により計算された展開形状に切C = mc = 1.27 x 2.79 x 840 = 2976

(1)

り取り，金型を用いて成形実験を行うものである．本実験

3・5には足踏み式油圧プレス装置を用いた．2 つ目はプリフォ

本研究では加熱のために A2017 製のヒートプレートをームを FDM 方式の 3D プリンタで作成し，基礎的な形状製作した． 加熱は 300W カートリッジヒータ（坂口電熱である半円筒面を用いて成形特性を評価したものである．

(株)製，HI-SD ROD）を 5 本用い，PID コントローラー（坂本実験にはサーボプレス装置を用いた．いずれの実験も口電熱(株)製, SBX-303-004W-OP-P2）による温度制御のたA2017 で製作した簡易金型を用いた．また，図 2 に示すよめ，ヒートプレートには 2 対の熱電対も設置した．ヒート

うな断熱板，放熱板，ヒートプレートおよび金型からなるプレートと金型を成形温度まで加熱するには，成形実験プラットホームを用いた．

1511.5+744.1=2255.6[kJ]必要だが，全体の出力が 3000W のヒートプレート

図5
図3

スタンパブルシートプリフォーム用金型

表1

スタンパブルシートプリフォーム

スタンパブルシートプリフォーム成形実験条件

加圧力

10KN

加熱温度

240，250，260，270，280℃

加圧保持時間10 分

プリフォーム

90 度

繊維方向

図4

3D プリントプリフォーム用の金型ため 752s で到達できる．ただし，温調器による制御と断熱板への熱伝導を考慮すると，実際の到達時間はより長くなる．

４．スタンパブルシートプリフォーム実験
4・1

実験概要

本実験は本研究で提案している 2D プリフォームの有用性を検証するため，熱可塑性炭素繊維強化樹脂のスタンパブルシート（BOND-LAMINATE 製, TEPEX）によるプリフォームを用い，自由曲面を含む成形形状の成形実験を行った．スタンパブルシートの厚さは 0.25mm，母材はナイロン 66，炭素繊維は 3K トウあや織りのものを用いた．プ
リフォームの形状は先行研究にて開発されたプリフォー
ム生成 CAM システムを用いて生成し，スタンパブルシー

図6

スタンパブルシートプリフォーム成形実験結果

トをカッティングプロッタ（ブラザー工業(株)製，CM650W）を用いて作成した．図 5 にプリフォーム形状お配向が目標形状に成形された理想的な形状となっている

よびカットされたプリフォームを示す．足踏み式油圧プレことがわかる．本研究で提案している 2D プリフォームのス装置を用い，プレス加重はひずみゲージを用いたロード有用性が視覚的に確認できる．260℃以下の場合は樹脂がセルにより計測して設定した．表 1 に成形条件を示す．

溶融せず，プレスのみで変形が見られた．280℃の場合，4・2

実験結果高熱により樹脂が消失したことが観察できる．270℃の場

図 6 に成形温度ごとの成形実験結果を示す．繊維束の配合，金型全体でカットラインの隙間がつながっており，炭向を観察すると，260～270℃の温度範囲での成形品は繊維素繊維の周囲に樹脂が存在し，滑らかに成形できている．

従って 270℃がこの実験に最適な範囲内と考えられる．
しかし，位置決め誤差があり，成形されたプリフォームがx 軸方向にねじれ，ヘッド部分の分割線ができいる．260℃の場合も 270℃と同様の結果を示した．250℃以下の場合，プリフォームは加熱時に樹脂溶融せず，目的の形状に成形不可能であった．

５．3D プリントプリフォーム実験
5・1

実験概要

図73D プリントプリフォーム成形実験目標形状

本実験は 3D プリンタによって作成された 2D プリフォームの有用性を検証することを目的としている．プリフォーム作成に使用した 3D プリンタ（Markforged 社製，MarkII）は FDM 方式で連続繊維を含む強化層を出力することが可能である 4)．母材となるフィラメント材質はナイロン 6 である．用いた 3D プリンタの仕様上，2D プリフ
ォーム生成用 CAM システムを用いる事ができず，専用のクラウドスライシングソフト 4)を用いる必要があり，任意の形状に対して任意の方向に炭素繊維を配置することが図83D プリントプリフォーム

できないため，本実験形状は最も基本的な形状である可展面の円筒面とした．図 7 に目標形状と展開形状を示す．ま表2

3D プリントプリフォーム成形実験条件

た，金型へのセットを容易にするために 3D プリントする

加圧力

1KN – 15KN

プリフォームの形状は図 8 に示すような支持ピンに固定

加熱温度210， 240℃できる形状とした．この 3D モデルを 3D-CAD で定義し，加圧保持時間

16 分

STL 形式に変換し，スライサーソフトによりモデルの各層プリフォーム繊維方向0，45 度

図9成形後の外観に材料を指定する．積層ピッチは 125µm であり３層構成で厚さは 125×3=375µm となる．繊維配向は一方向で出力したものを用いた．成形条件を表２に示す．
5・2単層実験結果

成形品は図 9 のようになっており，いずれも赤枠内または表面全体にヒケが確認された．図 10 に成形品表面をレーザ顕微鏡（OLYMPUS(株)製 LEXT OLS4100）で観察した画像をしめす．赤と緑の矢印で示した２種類の直線状の痕が確認できる．赤で示した痕は，金型の表面をエンドミルで切削した際のカスプが，成形品表層部の樹脂に転写されたものである．そのため，半円筒面の高さ方向と垂直に，エンドミルの送り量と等しい幅 0.2mm 程度の痕となる．
一方で，緑で示した痕は，3D プリンタが樹脂を積層する際に残ったノズルの経路である．そのため，ノズルが往復した方向に，ナイロンの押し出し幅と等しい幅 0.9mm 程度の痕が確認される．両者の痕の内，目標形状に対して精密な成形性を得ているのは赤い矢印の方であるため，金型のカスプが転写される成形条件が最適である．これまでの実験から，250~270℃程度の加熱温度が最適であることが

図 10

レーザー顕微鏡画像分かった．理論上は金型の加熱温度が高いほど樹脂の粘度が低下し，加圧力が高いほど流動性が向上するが，後述の得たものである．図 11 にそれぞれプリフォームと成形品

とおり必要以上に高温高圧な条件下では表面性状が改善の断面の顕微鏡画像を示す．まず左図において，赤線の輪しない．

郭はプリフォーム三層目のナイロン 6 の表面であり，反対次に，プリフォームおよび成形品の断面を観察して得ら側の平らな面が 3D プリンタのプリントベッドに接地してれた知見について述べる．この断面は，プリフォームと成いた．また，黒く見える二層目が炭素繊維であり，三層目形品をそれぞれ炭素繊維と垂直な平面で切断し，研磨しての樹脂は炭素繊維の幅と等しい周期で波形に積層されて表3

図 11

成形品の断面観察結果

制御因子と水準因子＼水準123

成形温度℃

210240270

加圧圧力 MPa

0.10.51

繊維方向 度04590

母材方向 度

153045‘

いる様子が確認できる．なお，成形中に半円筒面の外側(すなわち，金型のコア側に接している方)となるのは一層目であり，内側(金型のキャビティ側に接している方)となるのは三層目である．そのため，成形品表面においては，断面の輪郭が波面となっている内側にヒケと呼ばれる微小なくぼみが生じやすい．これは，波面が平滑な面に成形される際に，樹脂の粘度が十分に下がらず，波面の谷間に気泡が残ったと推定される．一方で，右図において，成形品の表面はどちらも平滑になっており，プリフォーム三層目

図 12

要因効果図の波形の輪郭が消失している．また，二層目には炭素繊維の束が間隔を空けて並んでおり，樹脂が繊維束間に含侵している様子が確認できる．

図 12 は直交表実験の結果を示す要因効果図である．加熱温度は一貫した正の効果を示している．これは，熱可塑ヒケやボイドの支配的な因子は 3D プリンタによる積層性樹脂であるナイロン 6 は加熱に伴い粘度が低下するた時の層間への空気の侵入であると推定され，金型の CADめ，樹脂の流動性が高まることで成形性が向上したと推定

データを用いた熱解析上では金型の熱膨張によるクリアされる．また，加圧力も一貫した正の効果を示している．

ランスのばらつきにも影響が見られる．積層という 3D プ

これも同様に，クリアランス内の樹脂の流動が促進され，リンタの加工特性上，層間への空気の侵入は避けられない成形性が向上したと推定される．次に，炭素繊維の配置角と考えられる．そのため，層間への空気の侵入を防止する度も一貫した正の効果を示しており，水準に対する SN 比のではなく，これを許容するような成形条件の最適化が必の変化量が最大であることから，四つの制御因子の中で最要である．これまでの実験結果より，表面性状における最も支配的な因子である．繊維の配置角度が大きいほど曲面適な成形条件は加熱温度が 250~270℃程度であると推定の円周に沿った方向になるため，繊維の曲げ剛性が作用しされ，加圧力は相関性が認められない．て半円筒面の曲率が減少すると予想した．しかし，実験結

5・3

最適成形条件の検討

果では繊維角度が大きいほど SN 比が高いため，より均一成形条件の最適化に際し，支配的な因子を検証するためで設計値通りの曲率となった．この原因として挙げられるに実験計画法に基づき L9 直交表 5)に沿って成形実験を行のが，成形品の内外層における肉厚の変化である．平面のった．表 3 に制御因子と水準を示す．制御因子として金型プリフォームを半円筒形に曲げ変形させる場合，外面層にの加熱温度・プリフォームへの加圧力・炭素繊維の配置角引張が，内面層は圧縮の応力がかかる．プリフォームの上度・樹脂の配置角度の四つを三水準で考慮した．評価方法

下層は何れも同じ厚さの樹脂であるため，変形時には圧縮は，半円筒面である成形品の半径測定値のばらつきを田口側の内面の方が，相対的に引張側の外側よりも樹脂が厚くメソッドにおける SN 比で評価した．加圧保持時間はどのなると予想できる．したがって，加熱により応力がある程条件でもサーボプレスの最大加圧時間である 16 分である．

度解放され冷却により樹脂が収縮すると，樹脂の断面積が加熱温度の水準幅はこれまでの実験結果を基に定めた．

大きい内側の方が引張り力が大きくなる．これにより繊維

270℃より高い成形品では樹脂の焦げや気化が生じたため，を支柱にして内側に曲がるため，設計値通りの曲率が保た210℃から 270℃の間に設定した．また，加圧力はサーボれる可能性がある．一方で，樹脂の配置角度は SN 比とのプレス機の仕様上，2MPa の圧力下では最大の加圧保持時相関が見られず，成形性に影響しない，あるいはその他の間が 15 秒となる．樹脂が流動する十分な時間を確保する因子との間に交互作用があると考えられる．本実験は誤差ため，0.1 から 1MPa の間に設定した．繊維の配置角度は因子を考慮しない静特性の SN 比によって評価するが，樹半円周上に沿う方向を 90 度とし，直線部分と平行な姿勢

脂の配置角度と温度・圧力・繊維角度の間に作用する交互を 0 度とした．

作用は，工程の原理上無視できるものとする．したがって，

樹脂は成形性に影響しない制御因子であり，考慮されていない他の因子が効果のばらつきの要因になると推定され
る．
5・42 層実験結果

3D プリンタを用いて 2 層の炭素繊維層を含むプリフォームを作成し，複層プレス成形について基礎的な実験を行った．図 13 に作成したプリフォームの構成を示す．ナイ
ロン 6 をはさみ 45 度方向と-45 度方向の 2 層の炭素繊維層を含むプリフォームを作成した．表 4 に成形条件を示す．
図 15

最適成形条件における良好な表面性状

６．結論
本研究では連続繊維の炭素繊維強化樹脂の自由曲面形状をプレス加工する手法開発のため，ポリゴンに近似した
CAD データの展開図を元に，スタンパブルシートプリフォームでの自由曲面を含む形状の成形実験，3D プリンタ
図 132 層プリフォームの構成で繊維配向を制御したプリフォームを作成し，基礎的な形状での各種条件におけるプレス加工への最適化実験およ

表42 層プリフォーム成形実験条件

び，複層でのプレス成形実験による検証を行い以下の知見

加圧圧力

0.1 , 0,5, 1.0 Mpaを得た．

加熱温度200, 210, 220, 240, 250, 270 ℃

1. ３次元 CAD データに基づき 2D プリフォーム生成用加圧保持時間

16 分

CAM により生成したスタンパブルシートプリフォー

プリフォーム繊維方向0，45 度

ム実験により，自由曲面を含む形状での成形実験を行

離型温度

60 度

い，2D プリフォームの有用性を確認できた．
2. 2D プリフォームを 3D プリンタで作成し，基礎的な形2 層実験を行った結果，図 14 に示すように全ての成形後の試験片においてゆがみが発生した．ゆがみの角度を測状での成形実験を行い，その成形特性と成形品について検証した．

定すると最大で 30 度であった．また加工条件によっては

3. 実験計画法に基づき 3D プリンタで作成したプリフォ10 度程度のゆがみの成形結果も得られた．最適な加工条ームでの成形における成形条件の最適化を試みた．

件としては，成形温度 210 度から 230 度，加圧力 0.5MPa

4. 3D プリンタで作成した複層炭素繊維強化樹脂プリフから 1MPa，離型温度 60 度以下であった．図 15 に成形温ォームでのプレス成形実験を行い，成形性の課題を明度 210 度，加圧力 1MPa，離型温度 60 度で成形した成形らかにした品を示す．表面性状は良好であり，樹脂の流動も最小限で謝あるが，ゆがみは 30 度と大きく発生している．

辞本研究は公益財団法人天田財団からの重点研究開発助成 2019 年度重点研究開発助成課題研究 AF-2019002-A3）
により実施した．同財団および関係諸氏に厚く感謝申し上げる．

参考文献
1) 山口りえこ，水谷篤，高津亮一，柳橋清人：日産技報，（2021），87，113-118
2) 2)Jun Mitani, Hiromasa Suzuki: ACM SIGGRAPH 2004
Papers, New York, NY, USA, (2004), 259-263
3) 猪狩 龍樹：上智大学大学院学位論文，（2018）4) https://markforged.com/3d-printers/mark-two5) 立林和夫：入門田口メソッド，日科技連，（2004）
図 14

2 層プリフォーム成形結果