絞り加工により成型した局所異方性を有する
熱可塑性複合材の最適設計に関する研究北海道大学 大学院工学研究院 機械・宇宙航空工学部門
准教授 本田 真也（2019 年度 奨励研究助成（若手研究者枠）AF-2019036-C2）
キーワード：CFRTP，プレス成形，局所異方性

１．研究の目的と背景

し，直接，繊維を PP シートに任意の形状で縫い付ける．

近年，炭素繊維強化複合材料（CFRP）の機械構造物へ

その後，熱間プレス（200℃）により，基材となった PP シの適用は益々拡大してきており，航空機やスポーツ用品のートを樹脂内へ押し込むことで，熱可塑複合材を成型するみではなく，自動車などの大量生産品への適用も期待され（図 2 下段）．通常の PP シートでは粘度が高く，繊維間ている．従来の熱硬化性 CFRP（CFRTS）は成形時間が長に樹脂がうまく含浸しないが，マレイン酸変性ポリプロピ

く，大量生産には不向きなため，塑性加工も可能な熱可塑レンを混合した PP シートを用いることで，樹脂粘度が低性樹脂を用いた CFRP（CFRTP）の研究・開発が盛んに行下し，樹脂がよく含浸することが知られている．一方向材

われている．また，①ロボットアームによる自動積層，の引張試験の結果，本手法で作製した熱可塑性複合材は市②3D プリンター，③刺繍機を援用した装置など，新たな販品と同等の剛性（およそ 120 GPa）を持つことがわかっ複合材の成型技術が開発・実装されている．これにより，ている 3)が，今回は加工成形が目的のため，プリフォーム

これまでの一方向にのみ強化繊維を配向した均質な異方の基材としてシート状のポリプロピレンのみを用いた．

性材ではなく，繊維を曲線状に配置，また部分的に配向角を変化させるなど，局所的な異方性を有する複合材の製造が可能となった．局所的な異方性は目的に合わせて最適に分布することで，従来よりも優れた構造の実現が可能である 1), 2).
上記の新たな製造方法のうち，最も大量生産に適した製造法は，③刺繍機を援用した装置（ファイバー縫付機）であるが，この装置による効率的な CFRTP 材の作製方法は確立されていない．また，塑性加工後の立体形状を考慮した最適な局所異方性配置の設計方法が必要である．すなわ
ち，本研究は，近年の複合材研究動向における「CFRTP 材による利用拡充」，「局所異方性構造の実装」という二つの流れを融合し，新機能複合材の開発を目指す．

２．実験方法図 1 ファイバー縫い付け機（株式会社 TIMS，TCWM101）のヘッド部分
Fiber bundle

Thread2・1 局所異方性複合材の作製方法
図 1 にファイバー縫付機による炭素繊維プリフォーム

Base mateialを作製している様子を示す．ファイバー縫付機では，ボビンから供給される炭素繊維束（CF トウ）を基材に針と糸Conventional method (Thermosetting resin + VaRTM)で縫い付けて固定する．ヘッド部分は旋回可能であり，まFiber bundle

Threadた機材を固定しているフレームが自由に平面移動可能なBase mateial(Resin-rich layer)

ため，曲線状の強化繊維配置が可能である．
従来は炭素繊維やガラス繊維の平織材を基材として採用し，CF トウを縫い付けた後に，真空樹脂含浸（VaRTM）

The proposed method (Thermoplastic resin + Hot press)法などにより熱硬化性樹脂を繊維間に含浸し，熱硬化する
No Resin-rich layer

ことで複合材とする（図 2 中段）．これが複合材の軽薄化を妨げ，また非対称性による成形後の歪みとなることがある．一方，申請者の提案方法では，図 1 のように，ポリプロピレン（PP）などの熱可塑性シートを基材として採用

Impregnation by hot press

図 2 提案している熱可塑性複合材の作製方法

(b)放射状のプリフォーム 2 枚で平織 CF を挟んだもの，(c)螺旋状のプリフォーム 2 枚で平織 CF を挟んだもの．また絞り深さは 25 mm とした．これらをホットプレスにより樹脂含浸した後に，サーボプレス加工を施した供試体を図3 右列に示す．加工後は(b)放射状のプリフォームは軸方向に繊維を有する層(ストレート層)となり，(c)の螺旋状のプリフォームは周方向に繊維を有する層(フープ層)となる．
(a) 平織層
2・3 圧縮試験
成形された供試体の力学特性比較のため，絞り方向に圧縮試験を実施した．圧縮試験の結果を図 4 に示す．縦軸は試験力，横軸はクロスヘッドの変位量を表す．ファイバー
縫付機で作成した補強用プリフォームを有する供試体(b),(c)は，供試体(a)よりも高い剛性を示した．また，フープ層を有する供試体がストレート層を有する供試体より高い(b) 放射状剛性を有していた．これは供試体が圧縮され側壁が径方向に変形する際，フープ層がその変形を拘束したためである．

800
Plain weave700

Straight
Hoop600

図 3 プリプレグの積層構成と絞り後の供試体
ホットプレス成形にはテスター産業株式会社製加熱プ500
Load [N](c) 螺旋状

400
300

レス機 SA-302 を用いた．整形したプリフォームや平織

200

CF を樹脂シートとともに積層し，加圧中にずれないよう100にステープラーで固定する．ホットプレスによるプリプレ
グの成形過程は以下の通りである．
1． プレス温度 200℃で 2 トンの荷重をかけて予熱する．
2． その後同じく 200℃で荷重を 10 トンまで上げ，溶00

123Stroke [mm]45

図 4 圧縮試験結果

融した樹脂を炭素繊維に含浸する．
3． 加圧したまま雰囲気温度まで冷却する．

３．局所補強形状の設計
3・1 チャネル型モデルと供試体

2・2 熱間深絞り成形

トポロジー最適化には汎用有限要素法ソフトウェアの作製したプリプレグの深絞り加工には北海道産業技術

ANSYS Workbench 19.2 の機能を用いた．図 5 左に示すよ総合研究機構・工業試験場のサーボプレス機（アイダエン

うなコ字断面を持つチャンネル型の熱可塑性複合材を対ジニアリング株式会社 NC1-800(D)）を用いた．円筒深絞

象に局所的な補強形状をトポロジー最適化により行う．有り金型の寸法は雌型が直径 60 mm，雄型が直径 58 mm で限要素モデルには 4 節点 SHELL181 要素を使用し，要素ある．内部には螺旋状の電熱線が埋め込まれており，制御数は 600 とした．積層構成は繊維を全て Y 方向に配向し器による温度制御が可能である．加工中は上下のダイともた[0]4，厚さは 1.7 mm とした．上部と下部の丸棒 2 本とモに 135℃に加熱した．深絞り加工前にプリプレグを恒温器

デルは接触条件を定義し，摩擦係数は 0.2 とした．境界条（200°C，10 分）により予熱し，手早く金型にセットし，件は上部の丸棒の Z 方向を固定し，Y 方向に 5 mm の変位深絞り成形を行う．

を与え，下部の丸棒を全方向に並進固定した．材料定数は，

図 3 左列に示す 3 種類のプリフォームおよび積層構成

予備実験の結果より，繊維方向ヤング率(E1)を 67.8GPa，を持つ供試体を作成した．(a) 平織 CF１層からなるもの，繊維と垂直方向ヤング率(E2)を 1.05GPa，せん断剛性(G12)を 1.03GPa, ポアソン比(ν12)を 0.236 とした．シミュレーシ保つことを条件とした．トポロジー最適化の結果から得らョンによる最大主応力分布を図 6 に示す．上部で圧縮されれた形状を図 8 に示す．図 6 で示された主応力の値が低る部分から下部で支えられる部分にかけて，高い応力値がい要素が取り除かれ，応力値の高い部分に部材が残る結果分布していることがわかる．となった．

図 5 右に前章と同様にして作製したチャネル型供試体の写真を示す．シミュレーションモデルと同様の条件で４点曲げ実験を行い，比較結果を図 7 に示す．両者はよく一致しており，シミュレーヨン条件や予備実験で得られた材料定数の妥当性が確認でき，本モデルをトポロジー最適化に適用可能であることを確認できた．

図 8 得られたトポロジー最適形状

図 5 チャネル部材の 4 点曲げシミュレーションモデルと作成した供試体

Optimum(a)図 6 4 点曲げシミュレーションによる最大主応力分布50
Bending test results

Load [N]40(b)(c)
図 9 最適形状と同体積の比較対象

Numerical analysis results3020

3・3 最適化結果の検証
得られた形状をチャンネル型 CFRTP の外側に積層した10モデル(図 9 左上)を作成し，最適化形状の効果を検証す
00

図70.1

0.20.3
Stroke [mm]0.40.5

4 点曲げ試験の結果の数値解析と実験の比較る．図 9 に強化部が最適化結果と同体積となるように作成した 3 つのモデルを示す．(a)は，背面に 5 本の長方形を等間隔に配置することで背面の強化を行った．長方形は縦40 mm，横 9.2 mm で，8.5 mm おきに配置させた．(b)は，上部の棒から下部の棒にかけて平行四辺形を八の字に配3・2 トポロジー最適化置し，背面と曲面部の強化を行った．平行四辺形の底辺は最適化領域は丸棒を除いた全体とし，最適化目的を剛性13 mm とした．(c)は，横 26 mm の長方形で，縦は上下の最大化と同義であるコンプライアンス最小化とした．また，曲面部までとし，背面と曲面部の強化を行った．それぞれトポロジー最適化後の体積は，元のモデル形状の 20 %をモデルで強化部分の体積は，元の体積の 20 %，19.8 %，20 %であり，トポロジー最適化により得られた形状とほぼを確認できた．このことから繊維強化複合材料の円筒深絞同様である．また，全モデル共通して強化部のないエリアり加工品において，ファイバー縫付機による最適な繊維配の厚さを 1.7 mm，強化層を追加するエリアの厚さを 2.5

置により力学的特性が向上することが確認できた．

mm に設定し，強化部分の配向角度は Y 方向に並行である．

続いて，作成したチャンネル型供試体で 4 点曲げ試験を行い，それを模擬した数値解析結果と比較し妥当性を確認

前節と同様の条件で 4 点曲げ試験シミュレーションをした．また，1 mm 変位の反力値を剛性係数として，実験行い，反力(N)と最大変位(mm)の比を剛性係数(N/mm)と定と数値解析を比較した結果，それぞれ近い値を示した．4

義し，それぞれのモデルの剛性計数値を表 1 に示す．最適点曲げ試験を行ったモデルに体積を 20 %に制限したトポ化によって得られた形状が最も高い剛性係数を示すこと

ロジー最適化を行い，境界条件に対し最適な形状を求めた．

がわかり，トポロジー最適化の有用性が確認できた．

最適形状をモデルの背面に積層し，再度 4 点曲げ試験を行い強化した結果，58.8 %剛性係数が大きくなった．トポロ

表１ 剛性係数の比較
Model

ジー最適化の効果測定のため比較用のモデル（a），（b），

Optimum

(a)

(b)

(c)

347.4273.9314.2

322.8

大きい剛性係数を示した．また，（a），（b），（c）の結果のStiffness
Coefficient（c）と剛性係数を比較したところ，最適化を行った方が[N/mm]

比較から曲面部と主応力の大きい部分を補強することで剛性係数が大きくなる傾向を確認できた．

参考文献
４．結言

1） S. Honda, T. Igarashi and Y. Narita, Multi-Objective

本研究ではファイバー縫付機および加熱プレス成形に

Optimization of Curvilinear Fiber Shapes for Laminatedより熱可塑性樹脂を母材とする炭素繊維強化複合材料をComposite Plates by Using NSGA-II, Composites Part B:成形し，熱可塑性複合材料の積層板の円筒深絞り加工を行

Engineering, Vol. 45, 2013, pp. 1071-1078.

った．成形品の圧縮試験を行い，結果を比較した．サーボ

2） K. Katagiri, S. Honda, et. al., Resin molding by using

プレスを用いた深絞り加工では，作製した熱可塑性複合材

electro-activated deposition for efficient manufacturing ofの積層板に対し加熱工程は恒温器，プレス工程はサーボプ

carbon fiber reinforced plastic, Composite Structures, Vol

レス機と工程を 2 つに分けたスタンピング成形を行った．

182, 2017, pp. 666-673.

加工した積層板は次の 3 種類とした．(a) 平織 CF１層か3） D. Murakami and S. Honda, A Study on Fabrication of

らなるもの，(b)放射状のプリフォーム 2 枚で平織 CF を挟Thermoplastic Composite by Tailored Fiber Placement

んだもの，(c)螺旋状のプリフォーム 2 枚で平織 CF を挟ん

Machine and its Vibration Characteristics, The 5th Japan-

だもの．サーボプレスを用いて加工した円筒状の供試体にKorea Joint Symposium on Dynamics & Control, Aichi

圧縮試験を行い，得られた結果を比較すると高い順に(c)University, Toyohashi, 2017. 7. 29. USB, J15.

フープ，(b)ストレート，(a)平織材のみとなり，補強の効果