学生編集委員会（WG0）では，企画立案から取材，記事執筆にいたるまで，学生が主体となり活動を行っています．記事
は 1 月号と 6 月号の年 2 回発行しています．本編では，先端複合材料の一つである CFRP の設計から製造までを一貫して取り組む企業を紹介します．学生の視点から描いた本記事を通して他分野の知見を少しでも増やしていただけたら幸いです．

○●○はじ

めに○●○

○●○ CFRP とは○●○

皆 さ ん は CFRP を ご 存 知 で し ょ う か．CFRP と はCFRP は 1960 年ごろに開発され，それ以来幅広い分野

Carbon Fiber Reinforced Plastics の略称で，炭素繊維強化で注目を集めている材料です．特に 1980 年ごろには，航プラスチックのことです．簡単にいうと，樹脂を炭素繊維空機の部品として CFRP が採用されました．CFRP の特で強化したものです．CFRP は，航空宇宙分野をはじめと長は，極軽量で金属と同等以上の強度・剛性をもつことでした多くの分野で用いられています．また，軽量，高剛す．具体的には，引張り強度は鉄の約 4〜5 倍，引張り弾性，耐熱性などさまざまな特徴から，金属やプラスチック性率は鉄の約 2 倍であり，さらに，疲労特性・耐蝕性・振単体ではもち得ない性能・機能を併せもつ素晴らしい材料

動減衰性・寸法安定性に優れ，高い熱伝導率をもつ材料でといわれており，これからどんどん需要が増えていくと予す．このことから，航空宇宙分野や建築分野，産業機械分想されています．近年では，低炭素化社会の実現に向けた野など，非常に幅広い分野で用いられています（図 1）．

取り組みとして，材料の軽量化による低燃費化に貢献でき

CFRP は一般的な材料とは異なり，標準品を買って加工るということからも CFRP は注目されています．
CFRP と聞くと，多くの方がする材料ではなく，用途に応じた材料設計が必要な材と思い浮かべ料です．そもそも CFRP は，炭素繊維を引き揃え，樹脂るのではないでしょうか．ひとくくりにカーボンといって（エポキシ樹脂等）を含ませて半硬化させたプリプレグシも，さまざまな特徴があり，実はとても奥が深く知らないートという材料を積層させて成形するのが一般的です．プ

ことが多いと思います．また，人によってはリプレグシートには幾つか種類があり，炭素繊維の方向を料

カーボン

特殊な材と思われる方も多いかもしれません．

一方向に揃えた UD 材，炭素繊維を縦横に編みこんだク

そこで，学生編集委員会では，今まさに知るべき材料のロス材などがあります（図 2）．また，使用される炭素繊一つとして CFRP にフォーカスし，CFRP を中心に先端維にも高剛性のピッチ系，高強度の PAN 系などの種類が複合材料の設計・成形を行っている株式会社エーシーエム

あり，これらを目的に応じて積層させる順番・方向・種類（以下 ACM 社）へ取材に伺いました．以降で，CFRP にを任意に変更することでさまざまな特性をもたせることがついての基礎的な部分や会社独自の技術について紹介し可能です．これをます．

性能，特性が大きく変わります．例えば，UD 材を同じ方材料設計と呼び，設計次第で材料の向に揃えて積層させることによって，一方向のみの強度に特化するということが可能です（図 3）．また，強度だけでなく，意匠性を工夫することも可能です．例えば，表面に外見が綺麗なクロス材が現れるように配置することで，CFRP 特有の模様を得ることができます．

（a）UD 材図1

CFRP 成形品の一例

図2（b）クロス材
プリプレグシートの構造の違い

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（学生記事）変幻自在！ CFRP が可能にする未来

外部応力

プリプレグシート裁断

図3

積層

炭素繊維配向の違いによる曲げ剛性変化

各種成形

クライアントの要望

材料設計

構造設計・シミュレーション

材料選定，積層構造の検討

形状設計，応力解析，構造最適化

機械加工

検査
試作
図5

CFRP 成形品の製造過程

製品化
図4

CFRP 成形品作製の概要

CFRP の成形形状は板だけではなく，円筒や角筒，さらに複雑な形状にも成形可能です．このような形状の積層設計は，成形後の寸法の誤差，追加工も考慮する必要があります．設計時に考慮しなければならない要素は幾つかあります．例えば，炭素繊維と樹脂の線膨張率の違いから冷却時に熱ひずみが生じないよう，プリプレグを上下対称となるように積層する必要があります．他にも，加工によるひずみ発生を考慮する必要があります．

○●○ CFRP ができるまで○●○

図6

真空バギング工程

1 枚のプリプレグシートから CFRP 成形品ができるまでには，まず，クライアントの要望にあわせて炭素繊維と樹に成形します．

脂を選定し，これをどのように積層させるのかなどを決定します（図 4）．これをと呼び，CFRP など

形法は，積層したプリプレグを離型フィルムで包み，離型の複合材料特有の工程です．次に，製品の形状や構造を決フィルムの上に当て板を載せます．これをシートに包んでめていきます．これを材料設計

2 つ目はオートクレーブ成形法です．オートクレーブ成と呼び，材料設計をし密封してから，内部の空気を抜きながら成形します（図た材料の特性に合わせた構造に最適化していきます．これ構造設計6）．これを真空バギングと呼びます．真空引きにより，らの材料・構造設計をもとにシミュレーションをして応力プリプレグ積層間のエアーを完全に抜くことができ，ボイ集中がないか，強度は十分か等を確認していきます．仕様

ド・ピンホールがなく，そり・ねじれの少ない製品板を成が決定したところで，製作に入ります．

形できます．この工程は非常に技術を要し，熟練した職人

まず，図面のサイズに合わせて，パーツごとにプリプレでないとフィルムにシワが寄り，積層した材料がずれてしグシートをカットします（図 5）．切り終えたシートを一まうことがあり精度に影響します．その後に圧力釜に投入枚ずつ重ね，事前に行った材料設計をもとにシートを積層し部材に応じて 3〜8 気圧程度の圧力で加熱することで成し端面を合わせます．こうして積層されたプリプレグシー

形します．

トを，加熱・加圧により成形していきます．CFRP の成形

もう一つは，真空バッグ成形法です．この手法は，積層方法はいくつかありますが，ここでは代表的な 3 つの成形した部材を真空引きするまではオートクレーブ成形法と同法を紹介します．1 つ目はプレス成形法です．この方法

じですが，圧力釜ではなく，加圧機能をもたないは，金型を用いることでひずみの少ない成形品を作ること炉ができます．端面を合わせたシートをホットプレス機によ材に加わる圧力は大気圧（1 気圧）となります．真空バッり加圧しながら加熱し，金型にプレスすることで金型形状グ成形法は，オートクレーブ成形法より加熱時の圧力が低52

熱風を用いて加熱します（図 7）．そのため，加熱時に部

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図7

真空バギングされたプリプレグシート（手前）と大型熱風炉（奥）図8

機械加工後のビス穴接着作業

いため，品質が劣ると思われがちですが，実際は，1 kg/cm 2 の圧力，つまり 1m 2 あたり 10 t の重さをかけて成形しているため，成形圧力は十分であることがほとんどです．そのため，同じ材料を使えば，オートクレーブ品と同等の品質であるといわれています．
成形された CFRP は，基本的にチタンないしはダイヤモンドがコーティングされた超硬工具（エンドミル）で加工することができます．CFRP は，難削材ではあります
が，一般的な金属材料と同様にフライス加工，研削加工，研磨加工，タッピング加工等が可能です（図 8）．さらに，寸法公差もマシニングセンタを使うことで 5/100 mm 程度，H7 公差は十分に出せるそうです．そのため，金属同等の加工が可能です．また，ACM 社では切削加工時に切図9

製造現場で大久保氏の説明を受ける編集委員

削液は使わずドライでの加工をされていました．これは，CFRP の樹脂が吸湿性をもつため，油分が浸透することにれています．CFRP は，熱膨張率が非常に小さいため，よる物性低下を懸念しているためのこだわりだそうです．

温度変化によるピントずれなどを防ぐ用途で使われていこのようにして，1 枚のプリプレグシートから多種多様ます．ここでは，材料設計が重要となってきます．炭素な特性を与えられたさまざまな形の CFRP の成形品が生繊維自体はほぼ伸びない，もしくは負の熱膨張率をもちみ出されるのです．

ます．それに対し，樹脂は正の熱膨張率をもつため，こ○●○インタビュー○●○れらをうまく組み合わせて，いかに熱膨張をゼロに近づけるかという積層設計が非常に重要になってきます」

株式会社エーシーエムの代表取締役社長の大久保茂氏，大久保氏：「CFRP は強度が高いので，金属で使われてい事業開発部の白川麻衣氏に，CFRP について，こだわりやるところをほとんど全て置き換えることができます．よ

将来像についてお話を伺いました（図 9〜11）．

く，どういったとことに使われますか？

編集委員：「具体的にはどのようなところに使われていまど，金属でもセラミックでもほとんど置き換えることがすか？」と聞かれるけできます．ただし，コストの問題は別です．例えば，自白川氏：「CFRP は軽量かつ高剛性かつ高振動減衰性に設

動車部品ですと外装の他にドライブシャフトにも使われ計できるため，液晶ディスプレイや半導体関係では搬送ています．CFRP の繊維をねじり方向に配置することで用のロボットハンドなどに採用されています．CFRP

高い回転トルクの伝達性を達成すると同時に，衝突安全は，アルミなどの金属に比べて破断応力が高く，また，性を高めることも可能です．一般的な金属ですと，衝突繰り返し応力をかけても，その破断応力が低下しにくい

時に歩行者に危害を加える可能性があります．それに対特徴があります（繰り返し 1000 万回応力をかけても破し，CFRP は最適な材料設計，構造設計を行うことで，断応力は 2 割程度の低下．アルミなどは半分以下にな衝突時にドライブシャフトが潰れるようにすることがでる）．このような優れた疲労特性から板バネにも用いらきます．これにより，機械的な性能は保持しつつ，万がれています．

一の歩行者保護も可能になります．このように，強度のまた，熱膨張特性を生かして望遠鏡の鏡筒にも用いら方向性，つまり，壊れるところを事前に設計しておくこ

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図 10

図 11

インタビューの様子とが可能です．
そ も そ も，CFRP と い う 材 料 は な く，総 称 と し て

ACM 社の皆さんと集合写真ます」
大久保氏：「CFRPって特殊材料だと思います？」

CFRP と呼んでいます．金属にアルミや鉄やステンレス

編集委員：「（一同）そうですね……」があるように，CFRP は目的に合わせて設計すること

大久保氏：「お客様もほとんどが特殊材料と思っていらっで，特性をもたせることができる材料です．

しゃいます．しかし，決して特殊材料ではなく，こんな材料の特性を見るのにいい物を用意しています（長さよい材料はないんです．例えば，引張荷重がかかる部材

1 m 幅 10 cm 厚み数ミリの CFRP 板を取り出して）．その場合，引張方向にのみ剛性があればいい．だけど，鉄れを曲げてみてください」の場合，一方向だけに剛性をもたせることはできない．

編集委員：「場所によって曲がり具合が違いますね……」

ところが，CFRP は材料設計により一方向だけに剛性を大久保氏：「板厚や外見は同じですが，曲げ剛性を途中かもたせることでニーズに応えることができます．CFRPら変えています．このように，材料の物性を途中から変は汎用性がないといわれますが，専用設計をするため確化させることも可能です．ゴルフのドライバーのシャフかにそうです．

トもそうですね」
編集委員：「材料設計において，どの程度シミュレーションできるのでしょうか？」

20 年位前はよくいわれました．CFRP は嘘つきだと．
よいデータばかりもってきて実際使ってみると簡単に折れてしまったなど．それは，お客様側の技術者が間違っ大久保氏：「非常に精度よくシミュレーションできますが，ていたのと，CFRP をつくる技術者がきちんと特性を説非常にお金がかかります．そのため，ある程度の段階で明できていなかったことにあります．そのため，ACM試作と解析を繰り返し最適化します．その方が結果的にでは CFRP を普通の材料にするために，CFRP を時間もコストも削減できています」

求められるお客様に，「なぜそこを CFRP にする必要が編集委員：「ACM の強みは何ですか？」あるのか」を聞きます．それが軽量化ならば，「なぜ軽白川氏：「ACM は，材料を設計することから成形・機械量化する必要があるのか」と．そこでお客様が「高速化加工，接着等の接合・組み立て・仕上げまでの一貫したによる工程のタクトアップのためです」となれば，「でサービスで，お客様が満足していただける製品づくりとは，軽量化と同時にイナーシャ対策として振動減衰性をいうものを心がけてやっています．この一貫したサービもたせる必要がありますね」と，用途に合わせて作りこスにより品質保証を可能にしていることが ACM の強みみ，使い方をきちんと説明することで，特殊材料から普です．一般的な CFRP 屋さんは，設計だけをして製造通の材料に感じてもらえるようにしています．このようは別の会社へ発注といったこともよくあります．CFRPにして，お客様の用途をきちんと把握することで，満足は材料設計により特性が大きく異なるため，加工方法もいただける製品を作ることができ，次回からは，一番にそれに合わせる必要があります．そのため，情報が分断CFRP を材料の候補に考えてもらえるようにしていまされることで品質保証が成り立たないことも多いです．
もう一つは，事業開発部という存在です．事業開発部

す」
編集委員：「CFRP の将来像について教えてください」

は，お客様とやりとりをする営業の仕事と設計といった

大久保氏：「現在，CFRP に用いられる炭素繊維の生産量技術部の仕事の 2 つを担っています．そのため，技術者は，世界で 6 万トン，金額にすると 1200 億円程度の規がお客様の話を直接聞いて自ら設計することができ，ス模です．CFRP 成形品となると約 1 兆円くらいです．な

ムーズにお客様の要望に答えられるといった特徴がありので，まだまだ規模としては小さいです．そのため，市54

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場規模を 2 倍にするのは容易であると考えています．たが，いかがだったでしょうか．CFRP はさまざまな形で存だ，繊維に関しては日本製が世界シェア 7 割を占めてい在し，私たちの生活を支え，地球の環境問題にも向き合っますが，CFRP 成形品となると世界シェア 1 割程度となているのだと感じていただければ幸いです．われわれ学生っています．日本は世界と比べて（理解が進んでいない編集委員も，今回の取材を通して CFRP は使用用途に合ため）CFRP を求めるお客様が少なく，世界に対して相わせてきちんと設計することで，素晴らしい性能を発揮す当な遅れをとっているのが現状です」

ることを知りました．CFRP は，まさに白川氏：「今後は自動車産業を中心とした産業用途での需かせていただきありがとうございました」
白川氏：「ありがとうございました」

わり

変幻自在な材なのです．今後，ものづくりでの材料検討では，間違いなく CFRP が候補の一つとして考えるようになると実要が伸びると予想しています」
編集委員：「なるほど．本日は見学を含め貴重なお話を聞○●○お料に○●○今回の学生編集委員会では，CFRP について取り上げ，製造方法や ACM 社が誇る独自の技術などを紹介しました

感しました．特殊材料から普通の材料へ，皆さんが CFRPに興味をもち，正しく理解することで，これまで不可能だったことが可能になる未来が待っているかもしれません．
最後になりましたが，お忙しいところ取材および資料の提供にご協力してくださいました，株式会社エーシーエム代表取締役社長の大久保茂氏，事業開発部の井上謙二氏，白川麻衣氏に深く御礼申し上げます．

―会誌編集委員 WG0 メンバー（平成 27 年度）―
阿美拓磨（埼玉工業大学，B4），小暮健吾（千葉大学，M1），塩屋峻一（埼玉工業大学，B4），澁谷九輝（徳島大学，D1），田村勇樹（東京工業大学，D2），成澤慶宜（埼玉大学，D2），長谷川育哉（職業能力開発総合大学校，B4），花木樹也（埼玉大学，M1），長谷亜蘭（埼玉工業大学 WG0 顧問）

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