茨城県産業技術イノベーションセンター研究報告第 46 号編織技術を活用した炭素繊維強化樹脂の加工性向上 に関する試験研究１. はじめに炭素繊維強化樹脂（以後 CFRP）は，軽量高強度な炭素繊維とプラスチックを複合化した優れた素材である。現在，軽量化を目的に航空宇宙・次世代自動車等，種々のものづくり産業において活用が進められており，今後の需要拡大が期待されている。1)
CFRP には，作製に使用する樹脂の種類により大きく2 種類あり，1 つは熱硬化性樹脂を使用した CFRP，もう 1 つは熱可塑性樹脂を使用した CFRP である。熱硬化性樹脂を用いた CFRP は，現在主流であり，航空機等に使われている。この CFRP は形状の自由度が高いが，仕上がりまでの工程が長いことから，高コストの製品にしか使用できない。一方，熱可塑性樹脂を用いた CFRPは形状の自由度は低いが，加工しやすいことから自動車などの量産部品への適用が検討されており，今後の需要増が見込まれている。
２．目的
本研究では，生産性が高く，今後の需要増が期待される熱可塑性樹脂を用いた CFRP を対象とし，成形加工に必要な基礎的データの蓄積，量産化に資する既存加工技術の転用等を進めるとともに，編織技術を活用した新たな炭素繊維クロス部材を作製し，成形性，加工性を向上させることを試みる。
今年度は，熱可塑性樹脂と炭素繊維編み物を用いたCFRP のプレス成形，炭素繊維入り樹脂の射出成形，炭素繊維クロスを用いたインサート成形の 3 加工について実施し，条件の違いによる特性評価を実施した。
３．研究内容3.1 炭素繊維編み物を用いたCFRPの成形実験
3.1.1 カバーリングした炭素繊維のニット糸作製
繊維の屈曲による炭素繊維の損傷を防ぐため，炭素繊維に他の繊維でカバーリングしたニット糸を作製した。芯となる炭素繊維には１K（東レ株式会社製）を，カバーリング糸には下撚りにウーリーナイロン糸（56T/2），上撚りにナイロン引撚糸を用いた。撚糸にはイタリー式撚糸機（TXS-40 久保田兄弟鉄工所製）のカバーリング用錘を用い，撚り数各約 1640T/m の条件で，ダブルカバーリングとした。
作製したニット糸については，編成し易くするため，サイジング機 YS-6（株式会社ヤマダ製）を用い，ポリビニールアルコール系糊剤によりサイジング加工を行った。
3.1.2 カバーリングした炭素繊維ニット糸の編成
カバーリングした炭素繊維のニット糸は図 1 に示す
無縫製横編機 SWG091N215G（株式会社島精機製作所製）*

素材開発部門**紬技術部門

早乙女 秀丸 *仁平 敬治 *

飯村 修志 *

本庄 恵美 **

中野 睦子 **

篠塚 雅子 **

を用い，針抜きにより筒状に編成した。
編成した生地を図 2 に示す。

図 1 無縫製横編機

図 2 編成した生地
3.1.3 CFRP シートの作製
評価，実験に用いた CFRP シートは図 3 に示したように炭素繊維編み物と樹脂フィルムを交互に積層したものを，加熱，プレスして作製した。なお，樹脂フィル
ムはナイロン 6（ユニチカ株式会社製 A1020BRL）のペレットを加熱プレスし，厚さ 100μm に成形したものを使用した。
昨年まで実施していた炭素繊維クロスを使用した
CFRP シート作製の場合，型枠を使用せず作製していた。しかし，炭素繊維編み物の場合，型枠を使用せずにプレスを行うと図 4 左のように，繊維が圧縮荷重で破壊されてしまう。そのため，今回実験に使用した
CFRP シートは 0.5mm の型枠を使用し作製を行った。

図 3 CFRP シートの作製茨城県産業技術イノベーションセンター研究報告第 46 号が伸び引張強度が出る前に，含侵樹脂の伸びが足らず破断してしまったためと考えられる。

図 4 炭素繊維編みを用いた CFRP シート（左：型枠なし 右：型枠あり）
3.1.4 炭素繊維含有量測定
炭素繊維編み物を使用した CFRP シートについて，示差熱重量同時分析装置（TG-DTA）Q600（TA インスツル
メント・ジャパン株式会社製）を用いて炭素繊維含有量の測定を実施した。
表 1 が測定結果である。昨年度まで成形評価に使用していた平織を用いた CFRP シートと比較し，編み物を用いた CFRPシートは炭素繊維含有量が重量比で 3分の1 程度に低下した。
これは，カバーリングが大きく影響していると考えられる。図 5 は炭素繊維編み物を使用した CFRP シートの断面観察結果である。炭素繊維の周りにはカバーリングに使用したウーリーナイロン糸がある分，織物を使用したものに比べ繊維を密集させることができず，樹脂量が増加したと考えられる。

サンプル

表 1 炭素繊維含有量
重量比（％）

編み物を用いた CFRP シート
平織を用いた CFRP シート

17.160～65

ウーリーナイロン糸体積比（％）
11.749～54
炭素繊維

表 2 引張強度試験の結果
最大応力
サンプル
(MPa)
炭素繊維編み物を使用した
22.8
CFRP シート（参考）ナイロン 672.5

弾性率(GPa)1.462.74

図 6 炭素繊維編み物を使用した
CFRP の応力ひずみ線図
3.1.6 プレス成形評価
炭素繊維編み物を用いた CFRP シートの成形実験を実施した。評価には，角絞り型（1 辺 50mm 正方形）とサーボプレス機（株式会社アマダ製 SDH110）を使用した。成形は，CFRP シートを電気炉で 250℃にプレ加熱し，80℃の金型で加工速度 20mm/s で行った。
炭素繊維編み物を用いた CFRP の場合，予備加熱時に図 7 のようにシートがカールしてしまう。これは，予備加熱で拘束している樹脂が溶けて，編みの安定形状であるカールした状態に戻ろうとするためである。そのため，今回はテフロンコーティングを施した，ステンレス編みを使用し，図 8 のように CFRP シートを挟み予備加熱を実施した。

含侵樹脂
図 5 編み物の断面
3.1.5 強度評価
炭素繊維編み物を使用した CFRP シートについて，引張強度試験を実施した。試験には，株式会社島津製作所製万能試験機（500N）を用いて行い，幅 20mm，厚さ0.8mm の試験片で評価した。なお，チャック間距離は50mm，引張速度は毎分 1mm とした。
図 6，表 2 に測定結果を示す。今回の実験では含侵樹脂よりも，強度が低下する結果となった。これは，炭素繊維編み物は変形量が多く，今回の場合，編み物

図 7 カールしたシート

図 8 予備加熱状態

今回の試験では，図 8 に示す，250℃でプレ過熱し，厚さ 1 ㎜の CFRP シートに，厚さ 0.05mm のテフロンシートを下側において成形したものが，しわがなく，表面状態も良い結果となった。
今回実験に使用した金型は，クリアランスが 1mm に設計されているが，最良であった条件は CFRP シートとテフロンシートの厚みを足すと 1.05mm となる。一般的

茨城県産業技術イノベーションセンター研究報告第 46 号な深絞り加工（軽いしごき絞り）は，クリアランスを被加工材厚さの 1.1～1.3 倍に設定し加工する。しかし，今回は，被加工材厚さに対して 0.95 程度になり，よりしごきを積極的にした条件になっている。このようなことから，炭素繊維編み物を使用した CFRP シートは，クリアランスを狭くし，しごく必要があることが確認できた。これは，短繊維編み物は加熱すると膨らむためであり，これを抑えるためにはクリアランスを厳しくし，シートをしごきながらつぶす必要があるためと考えられる。

支点間距離は 64mm に設定した。
表 4 と図 10 に測定結果を示す。今回の実験では，スクリュ回転数の違いによる強度差は 6％程度と，少なかった。炭素繊維入り樹脂の射出成形では，スクリュ径が小さいほど，炭素繊維の切断が顕著になる傾向がある。今回の実験では 32mm の小型スクリュを用いて成形したため，スクリュ回転数よりもスクリュ径の影響が大きくなり，差が少なかったと考えられる。

表 4 回転数と強度引張引張
曲げ最大応力 弾性率 最大応力
(MPa)
(GPa)
(MPa)
40rpm
60rpm80rpm
100rpmPA6

図 9 炭素繊維編みのプレス成形（左：外側 右：内側）3.2 炭素繊維入り樹脂の射出成形について
3.2.1 成形条件
炭素繊維入り樹脂は，成形条件によって強度が変化する。本実験では成形時のスクリュ回転数と強度の影響を調査するために，長繊維 CF 強化 6 ナイロン（東レ株式会社製 TLP1040 炭素繊維含有量 20％）を用いて試験を実施した。
成 形には， ファナック 株式会社製 射出成形機
ROBOSHOT α-S100ia を使用し，スクリュ回転数以外の条件については表 3 に示す条件で行った。なお，今回はスクリュ回転数に合わせて計量開始時間を調整し，滞留時間が約 10 秒になるように設定した。これは，炭素繊維の固化や樹脂の劣化を防ぐためである。

項目
射出速度
成形温度
金型温度
保圧

表 3 共通成形条件
設定
項目
毎秒 12mm
275℃
75℃
65MPa，40 秒

背圧
冷却時間
滞留時間

設定
6MPa
40 秒
約 10 秒

3.2.2 強度評価
成形時のスクリュ回転数と強度の影響を調査するた
めに，引張試験と三点曲げ試験を実施した。
引張試験については，インストロンジャパン製万能試験機（150kN）を用い，幅 10mm，厚さ 4mm，標点間距離 50mm のダンベル試験片で実施した。なお，引張速度については，弾性率は毎分 1mm，最大応力は毎分 50mmに設定した。
三点曲げ試験については，株式会社島津製作所製万能試験機（500N）を用い，幅 10mm，厚さ 4mm の試験片で実施した。なお，圧縮速度については，毎分 5mm に

248.5
250.4
241.6
256.0
84.2

15.9
16.5
15.9
15.7
3.4

282.4
285.8
278.7
274.161.7

曲げ弾性率(GPa)10.9
10.910.8
10.81.5

図 10 強度評価結果
3.3 インサート成形について
3.3.1 インサート成形のモデルと作製方法
炭素繊維クロスを用いたインサート成形による，製品の部分強化が可能か検討するために，成形実験を行った。本実験では製品の補強，特にたわみ量低減を想定し，図 11 のような三点曲げのモデルで評価を行った。

図 11 三点曲げのモデル
インサート部品は，「3.1.3 CFRP シートの作製」に記載した内容と同じ手法で，炭素繊維クロスを加工した CFRP シートを使用した。また，シート表面の樹脂が与える影響を評価するために，図 12 のように炭素繊維クロスの両面に樹脂フィルムを置き含侵させたもの

第 46 号と，片面のみ含侵させたものを作製した。また，炭素繊維クロスについては，平織で，密度は経糸緯糸ともに 1cm あたり 5 本，繊維は東レ株式会社製T300B-3000-40B を使用した。

図 12 CFRP シートの違い（左：両面含侵 右：片面含侵）
金型は三点曲げ用試験片を作製する汎用金型を使用
し，図 13 のように切断した CFRP シート（幅 10mm 長さ75mm）を 1 枚ずつ稼働側の金型に張り付け，その後成形した。なお，片面の場合は樹脂を含侵させた面を，金型側に張り付けた。

表 6 インサート成形品の三点曲げ試験結果
最大応力
弾性率
備考
(MPa）
(GPa)
両面樹脂含侵の試験前にシ
CFRP シートートが剥離
片面樹脂含侵の最大点でシ
78.2
2.1
CFRP シートートが剥離
PA6曲げ応力(MPa)

茨城県産業技術イノベーションセンター研究報告

61.7
90807060504030
201001.5

インサート
PA60510
ひずみ（%）

15

図 14 三点曲げ試験結果（グラフ）
図 13 インサート成形
3.3.2 成形条件
インサート成形には，ファナック株式会社製射出成形機 ROBOSHOT α-S100ia を使用した。樹脂について
は，ナイロン 6（東レ株式会社製 CM1017）を用い，表5 の成形条件で，成形を行った。
表 5 共通成形条件
項目設定項目設定
射出速度
毎秒 12mm
背圧5MPa
成形温度270℃
冷却時間90 秒
金型温度70℃
滞留時間
約 10 秒
保圧35MPa，30 秒
スクリュ
60rpm
3.3.4 強度評価
インサート成形品の強度を評価するために三点曲げ試験を実施した。試験には，株式会社島津製作所製万能試験機（500N）を用い，幅 10mm，厚さ 4mm の試験片で実施した。なお，引張速度については，毎分 5mm に，支点間距離は 64mm に設定した。
今回の実験では，両面ともに樹脂を含侵させた CFRP
シートを用いたインサート成形は，射出成形後試料を型から外す際にシートが剥離してしまい，成形できなかった。逆に，片面のみ場合は，シートの剥離はなく，強度についても表 6 と図 14 に示すように，補強しないものに比べ，最大強度が 27％，弾性率が 40％向上した。
これは片面のみの場合，CFRP シートの表面に含侵樹脂が少なく，射出成形で注入した樹脂が炭素繊維クロスに直接入り込み密着性が向上したためと考えられる。

3.3.3 インサート成形品の炭素繊維含有量測定
インサート成形品の炭素繊維含有量を評価するために，示差熱重量同時分析装置（TG-DTA）Q600（TA インスツルメント・ジャパン株式会社製）を用いて，測定を実施した。表 7 に測定結果を示すが，今回作製したインサート成形品は炭素繊維含有量が体積比で 3.9％であることが，確認できた。
表 7 炭素繊維含有量
サンプル
重量比（％） 体積比（％）
インサート
6.0
3.9４．まとめ・炭素繊維編み物を使用した CFRP シートをプレス成形する場合，プレ加熱の段階でシートが膨らむため，金型クリアランスをシート厚みの 0.95 倍程度にし，シートをしごきながら潰す必要がある。
・炭素繊維入り樹脂の射出成形については，今回の実験では，スクリュ回転数の違いによる強度差は6％程度と，少なかった。
・炭素繊維クロスを使用したインサート成形は，炭素繊維含有量が 3.9％と少量であっても，補強しないものに比べ，最大強度が 27％，弾性率が 40％向上することが確認できた。
５．参考文献「長繊維強化樹脂の射出成形用スクリュの開発」三
菱重工技報 第 34 巻第 2 号 戸田直樹・米谷秀雄・黒田英夫・苅谷俊彦 著