2024. 1. 26
オートモーティブ・コンポジット研究会
第35回講演会
京都工芸繊維大学 工繊会館

次世代輸送機器用 CFRP 部材の高精度・量産成形用金型の開発

藤井 啓道，坂口 直輝，大野 晴康，小奈 浩太郎
新報国マテリアル 研究開発部
fujii@shst.co.jp

新報国マテリアル株式会社
SHINHOKOKU MATERIAL CORPORATION

発表の概要
1. 活動紹介
2. 低熱膨張合金の特徴と応用例✓ インバー合金の特徴✓ CFRP 成形用金型としてのインバー合金の応用✓ 次世代輸送機器用部品の成形金型としてのポテンシャル

3. 低熱膨張合金型による成形精度の向上✓ CFRTP プレス成形試験片の形状測定✓ 試験片の機械特性評価

4. 量産成形に向けた金型特性の改善✓ クライオプロセスによる鋳造合金の強化✓ 強化低熱膨張鋳造金型の特性と期待される効果

5. まとめSHINHOKOKU MATERIAL CORP.

2

会社概要
先進低熱膨張合金

鋳造・鍛造・積層造形*

新素材開発

独自の成分設計と精緻な成分制御技術により，最高性能・高付加価値の低熱膨張合金を提供

鋳造・鍛造：70年以上の歴史で培われた知識・経験・ノウハウに基づいた工業製品の設計・製造

最先端技術を支えるため，お客様のニーズに応える新素材の開発を推進

0102

03

* 積層造形：Powder Bed Fusion 法，Laser Powder DED 法，Laser Wire DED 法により試作中
SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

3

最先端技術を支える材料開発

Observation
Satellite

Astronomical
telescope

Next generation
air mobility

Semiconductor
manufacturing

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

4

インバー合金の低熱膨張特性

インバー合金✓ 1897年 スイスの Guillaume 博士により発見✓ Fe-36mass%Ni 合金✓ 低熱膨張

低熱膨張合金の応用例✓ 宇宙関連事業（観測機器用構造部材）✓ 精密機器（半導体製造装置）✓ 温間金型（CRRP 成形）
新報国マテリアルにおいて開発した低熱膨張合金の熱膨張曲線：幅広い温度域において低熱膨張合金の使用が可能．

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

5

CFRP 成形用金型としてのインバー合金の特徴

インバー合金

CFRP

成形サイクル数

2000

200

上限温度 [ºC]

230

190

上限応力 [MPa]

なし

0.69

重量

大小

複雑形状

容易困難

材料費

高価

安価

マスター金型

不要

グラファイト，インバー等不安定（鋳鋼）

不安定

熱膨張曲線

構造材料用アルミニウム合金，工具鋼およびスーパーインバー合金と市販 CFRP の熱膨張挙動の比較

金型特性* 125°C における成形を仮定

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

6

次世代航空機器用部品の精密成形を支える金型材料

従来の航空機

次世代輸送機器✓ 大型部品（低曲率）✓ 小型部品（複雑形状）✓ 少量生産✓ 大量生産次世代 CFRP 成形金型
寸法安定性

複雑形状の精密成形

ニアネットシェイプ

鋳放しで製品形状に高い機械特性

へたりの低減，長寿命化
航空旅客機用 CFRP 部品のインバー金型（Ascent Aerospace 社 HP より）

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

7

次世代航空機器用部品の課題

市場規模

導入目標

2030 年 9,600 億円（必要機体数：日本 1 万機，世界 15万機）
2030 年

12 都市以上
数十万人／日のエアタクシー

必要部品数～数万点／年（自動車産業と同等）

社会受容設計に応える高い生産技術が不可欠

スタートアップ
企業（米）Joby Aviation（独）Volocopter（日）SkyDrive（中）Ehang（英）Vertical Aerospace 等

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

8

空飛ぶクルマの社会実装における金型技術の重要性
試作フェーズ
概念設計
企画・設計✓ 要素技術開発✓ 機体・部品の性の評価手法確立

試作機公開✓ 操縦者・整備者の基準整備

飛行試験
開発フェーズ申請✓ 安全・円滑な航空交通の体制整備
認証取得

認証基盤合意✓ 安全基準のガイドライン策定

飛行試験✓ 通信・航法・監視技術開発✓ 建物の建設計画・都市計画への反映

現 在
型式証明取得
大阪万博
量産化技術の確立
社会実装

コストの低減量産フェーズ✓ 高品質部品の安定生産技術の確立✓ 量産サプライヤの選定✓ 社会受容性の向上
製造プロセスも重要視
SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

9

研究の目的

次世代輸送機器の社会実装に向けた高品質・高信頼性の小型・複雑形状
CFRTP 部品の量産成形用金型を開発する．

成形精度

複雑形状

量産成形

低熱膨張金型

鋳造技術

金型の機械特性

ニーズに応じた開発

実績多数

長寿命化に向けた改善

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

10低熱膨張金型による成形精度の向上

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

11

インバー金型を用いたプレス成形試験

樹 脂
PP
PA6

成形試験用 CFRTP
炭素繊維

プレス荷重[t]加圧時間[s]

UD200

Cross
UD

成形温度[ºC]

180
10260

PPSCross300350PEEKUD180400

CFRTP プレス成形用試験機（郷製作所）

引張試験および曲げ試験用プリプレグ
SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

12成形試験用金型の特徴



成形試験用金型✓ 樹脂成型用金型 NAK80（Fe-Ni-Cu-Al 合金）✓ 低熱膨張金型 VIC-65（Fe-Ni-Co 合金）

試験片形状成形精度評価試験片
350ºC 近傍において低熱膨張引張試験片
曲げ試験片

CFRTP プレス成形用試験に用いた金型材料の熱膨張曲線
CFRTP プレス成形用試験に用いた金型

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

13

成形精度の評価：成形温度の比較
金型：VIC-65

金型：NAK80

Flatness: 0.74

Flatness: 0.13

Flatness: 1.44

PA6 UD
成形温度：260ºC

PP UD
成形温度：200ºC

Flatness: 0.21

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

14

成形精度の評価：炭素繊維の比較
金型：VIC-65

金型：NAK80

Flatness: 0.85

Flatness: 0.13

Flatness: 1.44

PA6 UD
成形温度：260ºC

PA6 Cross
成形温度：260ºC

Flatness: 0.27

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

15

成形精度の評価：スーパーエンプラの成形
金型：VIC-65

金型：NAK80

Flatness: 1.22

Flatness: 0.08

Flatness: 1.35

PEEK UD
成形温度：400ºC

PPS Cross
成形温度：350ºC

Flatness: 0.52

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

16

成形試験片の機械特性

引張強さ

曲げ強さ

改善？

異なる樹脂，炭素繊維を用いた CFRTP 試験片の引張強度：従来の樹脂成形金型と低熱膨張金型を用いて成形した試験片の比較．

異なる樹脂，炭素繊維を用いた CFRTP 試験片の曲げ強度：従来の樹脂成形金型と低熱膨張金型を用いて成形した試験片の比較．

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

17

量産成形に向けた金型特性の改善 ** H.T. Fujii, N. Sakaguchi, H. Ohno and K. Ona: “Novel tooling materials with extremely
high dimensional stability for press forming of CFRTP”, Proc. CAMX, (2021), 1-14.
SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

18

量産成形に向けた低熱膨張金型の課題

成形精度

複雑形状

量産成形

低熱膨張金型

鋳造技術

金型の機械特性

ニーズに応じた開発

実績多数

長寿命化に向けた改善課

題✓ 積層造形法の開発試作により製造技術強化中

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

課

題✓ 鋳造インバーの高強度化・品質安定化

19インバー鋳鋼の強度劣化と改善プロセス(a) As-cast 低熱膨張金型の機械特性✓ インバーは強度材料ではない✓ 鋳造時に形成する粗大な柱状結晶組織が強度を劣化させる

10 mm(b) Forged 特性改善プロセス✓ 一般的に鉄鋼材料の強化には塑性加工プロセスが用いられる

10 mm✓ 鋳物の複雑形状を活かすために，変形を伴う塑性加工は用いたくない

スーパーインバー合金における (a) 鋳造時に形成する粗大な柱状結晶組織
および (b) 鍛造プロセスによる結晶粒の微細化

冶金的アプローチによる強度改善

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

20塑性加工を用いない材料強化プロセス
Bailey-Hirsch の法則

 ミクロ組織制御プロセス✓ クライオ処理（−196ºC）+ 焼鈍✓ 等軸微細結晶組織の形成✓ 高密度転位の導入

 Hall-Petch の法則*
✓ 微細化による降伏応力の向上

 Bailey-Hirsch の法則**✓ 転位密度増加による降伏応力の向上* E.O. Hall: Proc. Phys. Soc. Lond., 64 (1951), 747.
** J.E. Bailey and P.B. Hirsch: Philos. Mag., 5 (1960), 485.

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

Hall-Petch の法則

21独自の低熱膨張金型製造プロセス

 先進インバー鋳鋼
鋳 造（独自成分）
ニアネット
シェイプ

独自開発
プロセス

微細結晶粒仕上げ
加工

高剛性
低熱膨張造

ニアネット
シェイプ

熱処理

粗大結晶粒
仕上げ
加工

低熱膨張10mm

 インバー鍛鋼
鋳造

インゴット

鍛
高剛性

✓ 金型の長寿命化

10mm

 従来のインバー鋳鋼
鋳✓ 機械特性の向上

微細結晶粒造

機械加工

熱処理

仕上げ
加工

低熱膨張

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

10mm
22

低熱膨張金型の強化試験


試験材料
材 料

化学成分

低熱膨張温度域

IC-EX1

Fe-Ni

R.T. ~ 200ºC

IC-WX

Fe-Ni-Co

R.T. ~ 300ºC

IC-HX

Fe-Ni-Co

R.T. ~ 400ºC

熱処理プロセス

低熱膨張金型の強化試験に用いた鋳造材料の熱膨張曲線

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

23

金型損傷と強化材料の効果

弾性変形
0.2% 耐力

40 MPa

微小ひずみ(a) 鋳造プロセスにより作製した低熱膨張合金の応力－ひずみ曲線における強化プロセス前後の比較 および (b) 低ひずみ領域の拡大図

金型の強化により「へたりの低減」「高寿命化」「高精度化」が期待される
SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

24

開発した低熱膨張金型の特徴

開発低熱膨張金型

従来のインバー鋳鋼

インバー鍛鋼CFRP エポキシ

Excellent

Good

Excellent

Fair

生産サイクル数

More than 2000

Several hundreds

2000

200

上限温度 [ºC]

400

230

230

190

上限応力 [MPa]

none

none

none

0.69

重 量

Heavy

Heavy

Heavy

Light

複雑構造

Easy

Easy

Difficult

Difficult

マスター金型none

none

noneGraphite, Invar, CF

異方性

none

Weaknone

Strong

耐久性

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

25

金型運用において期待される効果

 強化低熱膨張鋳造金型の運用メリット✓ 長寿命（交換作業費）✓ 高いリサイクル性（処分費）✓ 安定した金型性能（メンテナンス費）✓ 寸法安定性（品質管理費）

CFRTP プレス成形において従来の型および強化低熱膨張鋳造金型を用いた場合の運用コストの比較

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

26

まとめ

低熱膨張金型により CFRTP プレス成型部品の成形精度が著しく向上し，鋳造金型の機械特性はクライオプロセスにより大きく改善されることが確認された．これらの成果は，次世代輸送機器の部品製造プロセスの発展に大きく貢献することが期待される．

成形精度

複雑形状

量産成形

低熱膨張金型

鋳造技術

金型の機械特性

ニーズに応じた開発

実績多数

長寿命化に向けた改善

SHINHOKOKU MATERIAL CORP.

27

webpagee-mail

THANK YOU
新報国マテリアル株式会社
SHINHOKOKU MATERIAL CORPORATION

Hiromichi T. Fujii
049-242-1955
fujii@shst.co.jp
www.shst.co.jp