熱可塑性 CFRP の鍛造成形法の開発
金沢大学

設計製造技術研究所教授

米山猛（平成 28 年度 重点研究開発助成 B 課題研究 AF-2016002）

キーワード：炭素繊維強化樹脂，鍛造，不連続繊維

１． 研究の目的と背景
自動車をはじめとする輸送機器や各種の駆動機器を軽量化し，エネルギ消費を節減して，地球環境温暖化防止に役立てることは喫緊の課題である．機器の軽量化として着目されているものの一つが CFRP を用いた軽量化である．
これまで CFRP は機械のフレーム等に使われることが主体であったが，各種強度部品へも適用できれば，軽量化が一層推進される．各種の機械部品は多様な形をしており，金属の場合は，型を用いて鍛造等で形を作ることができるが，連続繊維の CFRP では複雑な形状を作成することが困難である．しかし，連続繊維ではなく，長さ 10 mm ～ 20mm 程度の炭素繊維を用いれば，かなりの強度を持ち，軽量な成形品を得ることができることが平板の成形などでわかっている．
そこで，繊維長 10 mm ～ 20 mm の炭素繊維で，熱可塑性樹脂を用い，加熱すれば溶融して成形ができ，冷却して固化させれば取り出しができる不連続繊維熱可塑性 CFRPを用いて，複雑形状の成形品を得る方法を開発する．この方法として，成形時に炭素繊維の長さを切断しないために，スクリューを用いて注入する射出成形法ではなく，金型で変形させる鍛造法を採用する．
この目的を実現するため，本研究では，一方向熱可塑性
CFRP シートから所定の繊維長にカットした素材を元にビレットを製作し，金型を用いた鍛造によって，目的形状の成形品を得る方法を開発する．
また本研究では，できるだけ産業界で実際に使われている形状を参考にし，金属の鍛造を行っている企業との共同研究を通じて，金属の鍛造加工のノウハウを取り入れるとともに，金属加工を行ってきた企業が CFRP の成形加工にも取り組む経験を得ることを目的とした．この共同研究

Vf 50%）から, 所定の長さにカットした CFRP を素材とする．UD シートから所定の繊維長のカット材を切り出して用いる理由は，繊維長のわかった材料を使うためである．
また繊維がまっすぐな素材を得るためでもある．炭素繊維は繊維が引っ張られる力には強いが，曲げや座屈を起すような力には弱い．したがって，成形品においても繊維はできるだけまっすぐな状態もしくは，成形品形状に対して所定の強度を得るために適したカーブを持つなどの状態で成形されることが好ましいと考えられる．もし炭素繊維が屈曲した状態で成形されたとすると，その繊維が伸長するまでは，剛性が低い材料となると予想される．
次に UD シートからカットした素材を用いて，鍛造成形するためのビレットを作成する．鍛造成形中に樹脂の中に気泡が巻き込まれたりしないためには，ビレットの段階で材料が緻密に成形されていることが好ましいと考えらえる．本研究では，所定の長さにカットした UD カット材をランダムに混ぜてビレットを作成する場合には，ビレットを圧縮成形した．一方，UD カット材を積層してビレットを作成する場合には，一定の厚さの平板を作成してからそれらを重ねたり，UD カット材を積層して仮接合したりした状態でビレットとした．
ビレットを熱可塑性樹脂（本研究ではナイロン６）が溶融する温度まで加熱し，金型の中に挿入して，プレスを用いて成形する．本研究ではカップ状の成形を対象として取り上げ，成形を行った．このような成形に対して「鍛造成形」という呼び方をしたのは，金属の鍛造と似たような加工法だからである．本研究のアプローチの特徴は金属加工の鍛造の手法を CFRP の成形に取り入れて，繊維長を変化させずに繊維を流動させて成形品を作るという考えをベースにしている．

企業として，アルミニウム鍛造を行っている群馬精工株式会社と共同研究契約を結び、鍛造対象の選定，金型の設計・製作，CFRP 鍛造実験を行った．

２． 熱可塑性 CFRP 鍛造成形法のプロセス本研究で想定する熱可塑性 CFRP 鍛造成形法のプロセスを図１に示す．あらかじめ熱可塑性樹脂(PA6)が含浸された一方向炭素繊維（UD）シート（TenCate 製，厚さ 0.16 mm,(a) UDシートからの不連続炭素繊維チップの切り出し
図１(b) ビレット
作成(c) 鍛造熱可塑性 CFRP 鍛造成形のプロセス

３．成形対象と金型成形対象として，図２のようなカップ状の部品を取り上げた．これは 2 輪車の部品として，群馬精工（株）がアルミニウム合金鍛造で製作しているものを参考としたものである．カップの外径は 63.1mm,コイルス
プリング

高さは 58 mm である．

肉厚は底面部が 4mm, 側面部は 2 ㎜であるが，鍛造時にポンチが抜けやすいように 1°の抜き勾配をつけた．カップには 4 箇所横穴が開けられ，上部には外周にそって溝が形

リング溝のスライド

カートリッジヒータ成される．アルミニウム合金では，まず鍛造でカップを成形し，その後切削加工で所定寸法に仕上げるとともに 4 箇４ツ穴のス
ライドピン

ポンチ
カートリッジヒータ

所の穴加工，上部の溝加工が行われるのであるが，CFRP 成形の場合，成形後に切削加工を行うと，炭素繊維を切断し下型てしまい，所望の強度が出ない可能性もあり，また工程を短縮するためにも，成形時に 4 箇所の穴と上部の溝を同時冷却板加工することを図った．

加圧ピンφ63.1

リング溝2

図３

鍛造金型

1ﾟ58φ50φ817丸穴部分

2.54横穴
φ2620

φ57.5

(a) ビレット

４分の１円板４角穴部分(b) 鍛造カップ

図２

鍛造成形対象設計した金型の縦断面図を図３に示す．下型の底にビレットを挿入し，ポンチを押し込んで，後方押出しのようなやり方でカップを成形するものであるが，大きな特徴が二(a) 四つ穴のスライド部分

図４(b)溝押込み板スライド部分

スライド金型部分の構造つある．一つは，下方から加圧ピンで押し込む構造を持っていることである．これは，カップを成形した後の冷却過鍛造のプロセスを図５，図６に示す．図５はビレット挿程において，樹脂が体積収縮すると考えられるため，それ入から，ポンチを押し込んでカップ状に材料を変形させるを補うために，下からの加圧ピンによって材料の押込みをところまでを示している．四つ穴ピンと溝板を押し込む前続けるように図ったものである．カップの寸法は上ポンチにカップ状に材料を流動させることを想定した．その理由の縁が下型の上部平面部と当たることで決定される．寸法は，あらかじめ横穴ピンや溝板が押し込まれていると，繊はこのような金型の当たりで決めるとともに，内部の体積維の流動が妨げられて，ピンの周りを回りこんで合流部が収縮を小径のピンを押し込むことで補充し，冷却時の加圧できたり，溝板に止められて，反対側に渦ができたりするを保持することを意図している．と考えたからである．したがって，まずカップ状の形状をもう一つの特徴は，横穴と溝を成形するために横穴をあけるピンと溝を成形するための押込み板をスライド金型成形した上で，まだ材料が柔らかいうちに横穴ピンや溝板を挿入することを意図した．

形状にして，ポンチの下降にしたがってピンや押込み板が

図６は，四つ穴ピンと溝板を押込み，その状態を保持し内部に押し込まれて，穴あけと溝加工を行うように図ったながら，ダイクッションを用いた加圧によって下からの加ことである．四つ穴ピンのスライド構造と溝押込み板のス圧ピンで圧力をかけ続けながら材料を冷却させ，冷却後，ライド構造を図４に示す．四つ穴をあけるピンは途中までポンチを上昇させた後，スペーサをはさんで底面の広い部四角ピンになっていて回転を防止し，後端の平板の斜め穴分を押し上げて，成形品を抜き取るプロセスを示している．にポンチの斜めバー(ツメ)を差し込んでいくようにした.

製作した金型を図７に示す．ポンチのまわりには，四つ溝押込み板は 4 分の 1 リング板をそれぞれ押し込む構造

穴ピンや溝押込み板をスライドさせるためのツメが取りとなっている．

付けられている．ポンチの中にはカートリッジヒータを内蔵している．下型には四つ穴ピンと溝押込み板がそれぞれ四方から差し込まれている．下型内にもカットリッジヒー
タが組み込まれている．

４．ビレットの製作
UD シートから繊維長および，成形時の繊維方向を考慮して，「UD カットランダムビレット」，「UD カット積層ビレット」，「UD 配向積層ビレット」を作成した．
「UD カットランダムビレット」の作成法を図８に示す．
UD シートから幅 10 mm, 長さ 20 mm のチップをカットし，これを直径 50 mm の円筒容器の中にランダムに挿入し，加熱しながらプレスし，3MPa の圧力をかけながら冷却して直径 50 mm, 高さ 17 mm，質量 47 g の円柱ビレットを製作した．このビレットの中では，カットされたチップは折り重なりながら平面的に積層し，繊維方向は水平面内でラビレット(a) ビレット挿入

10ンダムに向いていた．

(b) ポンチを下降
20

図５ 鍛造プロセス（その１）φ50(b) 円筒容器の中で加熱・プレス成形(a)UDシートからのカット

荷重制御

図８

リング溝押込み(c) ビレット

UD カットランダムビレットの作成

四つ穴加工「UD カット積層ビレット」の作成法を図 9 に示す．UD
シートを対辺の距離が 40 ㎜の 8 角形に切り，真ん中で繊維方向に垂直にカットしたものを，繊維方向を 45°ずらスペーサ
ダイクッションを用いた加圧(c) ポンチをさらに下降・荷重付加，ダイクッション加圧(d) 鍛造品抜き取りしながら重ねたものとなっている．実際には長さ 20 ㎜の間隔でカットを入れた UD シートを, 繊維方向を 45°変えながら 16 枚積層した平板（厚さ 2.2 mm）を圧着成形し，図６ 鍛造プロセス（その２）

この平板から 8 角形板を切出して，8 枚（合計 128 層）重ねてビレットとした．
繊維方向20カット

128層

繊維方向 45º

繊維方向 90º

繊維方向 -45º

繊維方向 0º(a) UDシートのカット横穴ピン

図９(b) 積層(c)ビレット

UD カット積層ビレットの作成「UD 配向積層ビレット」の作成法を図 10 に示す．まず
リング溝ピン

UD シートから直径 50mm,繊維方向と±45°方向にカットした４分の１円板を切出す．このうち，扇の中心の繊維が円の半径方向を向いている４分の１円板を４枚組み合せ

図７製作した金型たものを疑似半径方向円板とし，扇の中心の繊維が円の半径方向と直交している４分の１円を４枚組み合せたもの

を疑似円周方向円板として，この２枚を４５°ずらしながら 128 枚重ねたものをビレットとした．

鍛造成形したカップの外観を図 12 に示す．４箇所の横穴は，バリが残っているが，ほぼ貫通させることができた．
カップ上部の溝も押込み板の隙間にバリが出たが，ほぼ所定の深さまで溝を押し込むことができた．外観の違いはあまり明確ではないが，UD カットランダムビレットからの成形品は，繊維方向がまだらな方向を持つ模様が見られた．

φ50φ50疑似半径方向疑似周方向(a) UDシートからのカット(b) UD配向積層ビレット

図 10 UD 配向積層ビレットの作成

５．鍛造成形
鍛造成形のプロセスと条件を以下に述べる．金型温度を(b) UDカット積層ビレットからの成形(a) UDカットラン
ダムビレットからの成形(c) UD配向積層ビレットからの成形

ポンチ側 160℃，下型 180℃まで加熱しておく．ビレット
温度が 280℃になるまでマッフル炉で加熱し，下型内に挿

図 12

各種ビレットからの成形品の外観入する．ただちにポンチを下降させて下型内に挿入し，カップを成形する．ポンチが最下点まで到達したら，ダイク６．強度評価

ッションを持ち上げて下からの加圧ピンに 5kN の力をか成形後の強度評価法として,カップの側面４箇所から図ける．金型のヒータ電源を切って，金型温度が 100℃まで

13 に示すように，幅 10 mm, 長さ 30 mm の試験片を切出下がったら下からの加圧ピンを下げ，ポンチを上げ，ダイし，カップの内側の面を下にして，支点間距離 20 mm で 3クッション上にスペーサを入れて再度ダイクッションを点曲げ試験を行った．

持ち上げ，成形品を取り出す．

鍛造成形時のポンチ変位，プレス荷重，ダイクッション変位の測定例を図 11 に示す．ポンチ変位は最下点からの30変位として右縦軸のスケールで示されている．ポンチ変位が最下点上 8 ㎜ぐらいからプレス荷重が上昇し始め，最下点で瞬間的に 45 kN まで上昇した後，ポンチ変位の停止とともに 24 kN 程度まで下降している．ポンチ変位がほぼ最下点に達した時にダイクッションを持ち上げ，ダイクッション変位が 12 mm から 13.5 mmm まで増加している過程
が下からの加圧ピンが押し込んだ過程である．下からの加10(a) 試験片の切り出し
図 1320(b) 3点曲げ試験

カップ成形品からの試験片切出しと曲げ試験

圧ピンで押し込むことによって圧力が材料内に伝わり，プレス荷重が 24 kN から 26 kN へ増加している．

UD カットランダムビレット材から成形したカップから切り出した４個の試験片の曲げ応力―ひずみ線図の一例を図 14 に示す．
最大応力が 300MPa のものもあれば，400MPaのものもあり，最大応力に至るまでの過程も，最大応力後の挙動も違いがある．最大応力に達した後，応力が急減しないのは，繊維方向が混ざり合っているためにいっぺんに破断しないためだと考えられる．概して高強度のものは，最大応力後急激に破断が起こって応力が急低下する傾向があるのに対し，低強度のものは，低い応力で破断が始まり，破断が進行しながらも応力を維持する場合が多い．この違いの要因はまだ明確ではないが，曲げ試験における荷重付加点裏側の表面層の繊維が試験片長手方向に配列さ

図 11 鍛造成形時のプレス荷重とダイクッション変位れている（応力に対して強い）か，長手方向に垂直に配列されているか（変形しやすい）も大きな要因の一つであるように感じられる．ランダム材の場合，繊維方向がばらばらに積み重なっているので，各場所で繊維方向がランダムす．最大曲げ応力が 400MPa～500MPa と比較的高く，差もであり，重なり方も様々で変形を起しやすい弱い箇所が点小さくなっている．4 分の 1 円ごとに分割して．繊維方向在する可能性が高いのではないかと考えられる．繊維長をを交互に変えたので，UD カット積層ビレットの場合より10 mm にしたランダム材の成形も行ったが，最大曲げ応力も，分割がきめ細かくなり，強度の違いが平滑化したのでの平均値が 380MPa から 310MPa に下がったものの，ばらつはないかと考えている．

きの幅が小さくなった．これは繊維長が短くなって破断を周・半径交差1起しやすい箇所が増加したものの，カットしたチップの密500度が 2 倍になったので，場所による違いが減少したものと400考えている．
500

Stress / MPa

UDランダム20 5

Stress / MPa

400300200100300020000.020.040.06
Strain0.080.1100

図 1600

図 140.020.04

0.06
Strain0.08

力-ひずみの一例

0.1

UD カットランダムビレットから成形したカップの曲げ応力-ひずみの一例

UD 配向積層ビレットから成形したカップの曲げ応

７．内部組織観察
鍛造成形品の強度と内部組織との関係を検討するため，カップ成形品の断面観察を行った．底面部から側面部へ流UD カット積層ビレットからのカップ成形品から切り出動する断面を観察したのが図 17 である．これらを見ると，した 4 個の試験片の曲げ応力―ひずみ線図の例を図 15 に

底面部ではポンチと接触する上部の厚さ 2 ㎜程度の部分示す．最大曲げ応力が 400MPa,300MPa, 200MPa とばらつきが圧縮されて薄くなり，側面方向へ押し出されて，側面部が大きい．UD カット材は繊維方向を等方化して，強度のへ流動していることがわかる．側面部もポンチと摺動するばらつきを小さくすることを意図したものであったが，平内側側面の方が層が薄くなっている．一層の厚さは約 0.1

均強度はランダムビレットと同様であるが，ばらつきが大mm となっており，元の厚さ 0.16 ㎜の半分近くまで薄くなきくなる結果となった．繊維方向の等方化をめざしたが，っている．

一層ずつ方向が異なるため，円筒側面部へ流動したときに，カップ側面部の断面組織を比較した例を図 18 に示す．

側面の円周上に沿った各位置で，積層方向の順番が異なり，白い丸が炭素繊維の断面で，真円（最も小さい円）の場合，強度の高い部位と強度の低い部位が分かれた可能性があ

炭素繊維が紙面に垂直方向，楕円の場合は，紙面に対してると考えている．

斜め方向，長い楕円の場合は、紙面とほぼ同方向であることを示している．UD カットランダムビレットからの成形
では，各層の繊維方向がランダムに配向しているのに対し，UD カット積層ビレットからの成形では，各層の繊維方向が比較的規則的に配列している.UD 配向積層ビレットの場合も比較的繊維配向が規則的に並んでいるように見える．
したがって，ビレットにおける繊維方向の重なりが鍛造成形後にも反映していると考えられる．また各層が元の層の厚さの半分程度になったということは，各層が約 2 倍に平面的に広がったことを意味している．炭素繊維の長さそのものは伸びないので，この面積の広がりは，炭素繊維の図 15

UD カット積層ビレットから成形したカップの曲げ束が薄くなって，繊維方向と直交する方向に広がったか，応力-ひずみの一例繊維方向にずれて広がったことになる．このような各層の変形と流動を明らかにして，強度向上のためにどのようにUD 配向積層ビレットからのカップ成形品から切り出した 4 個の試験片の曲げ応力―ひずみ線図の例を図 16 に示

ビレットにおける繊維状態を作りこむかが重要な課題である．

８．結び
不連続繊維の熱可塑性 CFRP を用いた鍛造成形法の開発に関する研究を行った．成形対象を選定し，成形金型の設計と製作，成形前のビレットの製作，成形後の強度評価と内部組織観察を行った．
あらかじめ熱可塑性樹脂を含浸させた一方向炭素繊維のシートから一定の長さの素材をカットし，ランダムに配向したビレットや繊維方向を順番に変えて積層したビレットからカップ形状を鍛造した．成形したカップの側面から試験片を切出し，強度評価を行ったところ，300MPa～400MPa 程度の曲げ強度を有しているものの，ばらつきが(a) UD カットランダムビレットからの成形あり，ばらつきを小さくするためには，ビレットにおける繊維配向を規則的にして，しかも緻密にすることが必要であることが示唆された．
不連続繊維 CFRP を用いて複雑形状を鍛造して成形品を得ることは，軽量で強度の高い各種部品を成形する方法として，期待されるものであり，本研究で試みたようなビレット材，金型構造によって，複雑形状の鍛造成形が可能であり，強度の高い成形品を得ることができることが明らかとなった．さらに強度の均一な成形品を得るために，ビレット材における繊維配向の工夫や鍛造成形中の繊維チップの流動・変形をさらに解明していくことが課題である．

(b) UD カット積層ビレットからの成形謝辞

本研究を進めるにあたって，共同研究を推進した群馬精工株式会社に御礼申し上げる．
本研究は公益財団法人天田財団の平成 28 年度重点研究開発助成 B の助成を受けて行ったものであり，深く感謝の意を表す．

参考文献
1) 谷口洸紀，米山猛，立野大地，丸茂康二, 吉川亮治，(c) UD 配向積層ビレットからの成形

伊藤雄介，岡田淳一，熱可塑性不連続 CFRP を用いた鍛
図 17

成形品の断面（底部から側面）

造，平成 30 年度塑性加工連合講演会講演論文集，291292.
2) 谷口洸紀，米山猛，立野大地，丸茂康二，熱可塑性 CFRP

上下方向を用いたプレス成形，型技術ワークショップ 2018.型技術(a) UDカットランダムビレットからのカップ側面

0.5 mm(b) UDカット積層ビレットからのカップ側面(c) UD配向積層ビレットからのカップ側面

図 18 カップ成形品側面の断面組織の例

0.5 mm

0.5 mmVol.33, No.13, 42-43.