複合材料の原材料には、樹脂、繊維、コア材など、多岐にわたる選択肢があり、それぞれが強度、剛性、靭性、熱安定性といった独自の特性を持ち、コストや歩留まりも異なります。しかし、複合材料全体の最終的な性能は、樹脂マトリックスや繊維（サンドイッチ構造の場合はコア材も含む）だけでなく、構造を構成する材料の設計方法や製造プロセスにも深く関わっています。本稿では、複合材料に一般的に用いられる製造方法、各方法の主な影響要因、そして様々なプロセスにおける原材料の選定方法について紹介します。
スプレー成形
1、方法の説明：ショートカット繊維強化材と樹脂システムを同時に金型内に噴霧し、その後大気圧下で硬化させて熱硬化性複合製品を成形するプロセス。
2. 材料の選択：
樹脂：主にポリエステル
繊維：粗いガラス繊維糸
芯材：なし、合板のみと組み合わせる必要がある
3. 主な利点：
1) 長い職人技の歴史
2) 低コストで迅速な繊維と樹脂の積層
3) 金型コストが低い
4、主な欠点：
1) 合板は樹脂分の多い部分を形成しやすく、重量が大きい
2) 短くカットされた繊維しか使用できないため、合板の機械的特性が著しく制限されます。
3) スプレーしやすくするために樹脂の粘度を十分に低くする必要があり、複合材料の機械的特性と熱的特性が失われます。
4) スプレー樹脂のスチレン含有量が高いため、作業者にとって潜在的な危険性が高く、粘度が低いため、樹脂が作業者の作業服に容易に浸透し、皮膚に直接接触する可能性があります。
5) 空気中の揮発性スチレンの濃度が法規制を満たすことが困難である。
5. 代表的な用途:
シンプルなフェンス、コンバーチブル車のボディ、トラックのフェアリング、浴槽、小型ボートなどの低荷重構造パネル。
ハンドレイアップ成形
1、工法の説明：手作業で樹脂を繊維に浸透させます。繊維は織り込み、編み込み、縫製、接着などの補強方法を用いて補強できます。ハンドレイアップ成形は通常、ローラーまたはブラシを用いて行います。その後、接着ローラーで樹脂を押し込み、繊維に浸透させます。合板を常圧下に置いて硬化させます。
2. 材料の選択：
樹脂：不要、エポキシ、ポリエステル、ポリエチレン系エステル、フェノール樹脂が利用可能
繊維：要件はありませんが、より大きなアラミド繊維のベース重量は、手作業で敷設された繊維に浸透することが困難です。
コア材料: 不要
3、主な利点：
1) 長い技術の歴史
2) 簡単に学べる
3) 常温硬化樹脂を使用すると金型コストが低くなる
4) 幅広い材料とサプライヤーの選択肢
5) 繊維含有量が高く、スプレー法よりも長い繊維が使用される
4、主な欠点：
1) 樹脂の混合、積層板の樹脂含有量と品質は作業者の熟練度に密接に関係しており、積層板の樹脂含有量と多孔度を低くすることは困難である。
2) 樹脂の健康と安全に対する危険性、ハンドレイアップ樹脂の分子量が低いほど、潜在的な健康への脅威が大きくなります。粘度が低いということは、樹脂が従業員の作業服に浸透して皮膚に直接接触する可能性が高くなることを意味します。
3) 適切な換気設備を設置しないと、ポリエステルやポリエチレン系エステルから空気中に蒸発したスチレンの濃度が法定基準を満たすことが困難になる。
4) 手塗り樹脂の粘度は非常に低くなければならないため、スチレンなどの溶剤の含有量が多くなり、複合材料の機械的/熱的特性が失われます。
5) 主な用途: 標準的な風力タービンブレード、大量生産されたボート、建築模型。
真空バッグ包装工程
1. 方法の説明: 真空バッグ工程は、上記のハンドレイアップ工程の延長であり、すなわち、金型上のプラスチックフィルムの層をハンドレイアップ合板の真空に密封し、合板に大気圧を適用して排気と締め付けの効果を実現し、複合材料の品質を向上させます。
2. 材料の選択：
樹脂：主にエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル、ポリエチレン系エステルはスチレンを含有し、真空ポンプへの揮発があるため適用不可
繊維: 大きな繊維の基本重量が圧力下で浸透できる場合でも、要件はありません。
コア材料: 不要
3. 主な利点：
1) 標準的なハンドレイアッププロセスよりも高い繊維含有量を実現できます
2) 標準的なハンドレイアップ工法に比べて空隙率が低くなります。
3) 負圧下では樹脂が十分に流れ、繊維の浸透度が向上しますが、もちろん樹脂の一部は真空消耗品によって吸収されます。
4) 健康と安全:真空バッグプロセスは、硬化プロセス中の揮発性物質の放出を減らすことができます。
4、主な欠点：
1) 追加工程により人件費と使い捨て真空バッグ材料費が増加する
2) オペレーターのスキル要件の向上
3) 樹脂の混合と樹脂含有量の制御は、オペレーターの熟練度に大きく依存する。
4) 真空バッグは揮発性物質の放出を減らすが、オペレータへの健康リスクは注入やプリプレグプロセスよりも依然として高い。
5、主な用途: 大型、単一限定版ヨット、レーシングカー部品、造船工程のコア材料の接着。
巻き取り成形
1. 製法の説明：巻き取り工程は、基本的にパイプやトラフなどの中空、円形、または楕円形の構造部品の製造に用いられます。繊維束に樹脂を含浸させ、マンドレルに様々な方向に巻き付けます。この工程は、巻き取り機とマンドレルの回転速度によって制御されます。
2. 材料の選択：
樹脂：エポキシ、ポリエステル、ポリエチレン系エステル、フェノール樹脂など、特に制限はありません。
繊維：要件なし、スプールフレームの繊維束を直接使用し、繊維布に織り込んだり縫ったりする必要はありません
コア材料: 要件はありませんが、スキンは通常単層の複合材料です
3. 主な利点:
（１）生産速度が速く、経済的で合理的なレイアップ方法である
（２）樹脂溝を通過する繊維束に運ばれる樹脂量を測定することにより、樹脂含有量を制御することができる。
（３）繊維コストの最小化、中間織り工程の削減
（４）線状繊維束を様々な荷重支持方向に沿って配置できるため、優れた構造性能を有する。
4. 主な欠点:
（１）このプロセスは円形の中空構造に限定されます。
（２）繊維を部品の軸方向に沿って容易にかつ正確に配列することが困難である
（３）大型構造部品のマンドレルポジティブ成形のコストが高い
（４）構造体の外面は金型面ではないので美観が悪くなる
（５）低粘度樹脂を使用する場合、機械的性質と健康安全性能に注意する必要がある
主な用途: 化学物質貯蔵タンクおよびパイプ、シリンダー、消防士の呼吸タンク。
プルトルージョン成形
1. 方法の説明：ボビンホルダーから引き出された接着剤を含浸させた繊維束は加熱プレートを通過し、加熱プレート内で樹脂が繊維に浸透して樹脂含有量を制御し、最終的に材料は必要な形状に硬化されます。この形状が固定された硬化製品は、機械的にさまざまな長さに切断されます。繊維は0度以外の方向から熱板に入ることもできます。押し出し成形と延伸成形は連続生産プロセスであり、製品の断面は通常、一定の形状を持ち、わずかな変化が許容されます。事前に湿らせた材料が固定された熱板を通過し、金型に広がるとすぐに硬化します。このようなプロセスは連続性が低いですが、断面形状の変化を実現できます。
2. 材料の選択：
樹脂：通常はエポキシ、ポリエステル、ポリエチレン系エステル、フェノール樹脂など。
繊維: 必要ありません
コア材料: 一般的には使用されない
3. 主な利点：
（１）生産速度が速く、材料を事前に湿らせて硬化させる経済的で合理的な方法である。
（２）樹脂含有量の精密制御
（３）繊維コストの最小化、中間織り工程なし
（４）優れた構造特性、繊維束が直線状に配列しているため、繊維体積率が高い。
（５）繊維浸透部を完全に密閉し、揮発物質の放出を低減することができる。
4. 主な欠点:
（１）このプロセスは断面の形状を制限する
（２）加熱プレートのコストが高い
5. 主な用途: 住宅構造物の梁やトラス、橋梁、はしご、フェンス。
樹脂トランスファー成形プロセス（RTM）
1. 工法の説明：乾燥繊維を下型に敷き詰め、予圧をかけることで繊維を型の形状に可能な限り沿わせ、接着結合させます。次に、上型を下型に固定してキャビティを形成し、キャビティ内に樹脂を注入します。一般的には、真空アシスト樹脂注入（VARI）と呼ばれる真空アシスト樹脂注入法が用いられます。繊維の浸透が完了したら、樹脂導入バルブを閉じ、複合材料を硬化させます。樹脂の注入と硬化は、室温または加熱条件下で行うことができます。
2. 材料の選択：
樹脂：通常はエポキシ、ポリエステル、ポリビニルエステル、フェノール樹脂、ビスマレイミド樹脂は高温でも使用可能
繊維：不要。繊維束間の隙間が樹脂の移行を促進するため、縫製繊維の方がこの工程には適しています。樹脂の流れを促進するために特別に開発された繊維もあります。
コア材料: セルラーフォームは、ハニカムセルに樹脂が充填され、圧力によってフォームが崩壊するため、適していません。
3. 主な利点:
（１）繊維体積率が高く、多孔性が低い
（２）樹脂が完全に密封されているため、健康と安全、清潔で整頓された作業環境。
（３）労働力の使用を減らす
（４）構造部品の上下面は成形面となっており、後続の表面処理が容易である。
4. 主な欠点:
（１）併用される金型は、より高い圧力に耐えるために高価で重く、比較的かさばります。
（２）小型部品の製造に限る
（３）濡れていない部分ができやすく、大量のスクラップが発生する
5. 主な用途: 小型で複雑なスペースシャトルや自動車の部品、電車の座席。
投稿日時: 2024年8月8日
