ＣＦＲＰの材料、成形加工の最新技術と自動車への適用

平成25年度次世代自動車地域産学官フォーラム・技術開発セミナー

～ものづくり技術で拓くモビリティ新産業～

東邦テナックス株式会社

技術開発グループ 新市場開発チーム

梅元禎孝

発表内容

・ 炭素繊維とは

・ 炭素繊維複合材料について

・ 自動車用炭素繊維複合材料の開発

・ 自動車部材への適用

・ 成形技術紹介

・ 終わりに （纏め）

軽い･･･鉄の約1/4炭素繊維の比重は1.8前後。競合素材の比重は、鉄：7.8 、アルミ：2.7、ガラス繊維：2.5。

強い比強度※1は、鉄の約10倍。比弾性※2は、鉄の約7倍。

※1. 比強度･･･引張強度を比重で割った値※2. 比弾性･･･引張弾性率を比重で割った値

その他疲労特性に優れる、錆びない、線膨張係数が小さい(寸法安定性に優れる)、化学的・熱的に安定している、電磁波シールド性・X線透過性に優れる

特長･･･軽くて、強い

炭素繊維とは

PAN系炭素繊維の定義

炭素繊維には、大きく分けてPAN系とピッチ系の二種類があり生産量の95%以上をPAN系が占める(東邦テナックスはPAN系炭素繊維を生産)。PAN系炭素繊維は、特殊なアクリル（polyacrylonitrile）繊維※を原料とし、これを焼成して製造する炭素含有率が90%以上の繊維。 ※プリカーサーと呼称

PAN系炭素繊維 フィラメント数による分類

レギュラートウ (RT) ラージトウ (LT)

フィラメント数 24,000本(24K)以下 40,000本(40K)以上

特徴機械的特性に優れる高品位(毛羽、取り扱い性)

RTに比べ、機械的特性、品位が劣るRTに比べ、低コスト

焼成フィラメント焼成均一に焼成

トウ焼成焼成にムラがある

原料炭素繊維用特殊アクリル繊維(プリカーサー) 衣料用汎用アクリル繊維

用途 航空機、スポーツレジャー、工業用途 汎用工業用途

STS40

UTS50

IMS60

UMS40UMS45

LT

スチールE-ガラス

HTS40

UMS55パラ型アラミド

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 100 200 300 400 500 600

引張弾性率 (GPa)

引張

強度

(MP

a)

テナックス

LTスチール

E-ガラス

パラ型アラミド

航空機

一般産業

高級スポーツ

炭素繊維TENAXⓇ フィラメント性能

STS40

UTS50

IMS60

UMS40UMS45

スチール

GFRP

ステンレス

アルミ

チタン合金

HTS40

UMS55

高張力鋼

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

0 50 100 150 200 250 300 350引張弾性率 (GPa)

引張

強度

(MP

a)

テナックス

スチール

GFRP高張力鋼

ステンレス

アルミ

チタン合金

比重 (g/cc)

1.557.82.0

7.8

7.8

2.7

4.5

炭素繊維TENAXⓇ コンポジット性能

繊維角度 0°(一方向)Vf 60%樹脂 汎用エポキシ

CFRP/GFRP

炭素繊維複合材料について

Thermoplastic

重点市場である自動車用途への参入

（Key Words）

低価格／高生産性／高性能／（ 大型 ）

Thermoset

RTM

FW

RFI

ＣＰＭ

生産量 （ﾊﾟｰﾂ/年）価

格（10千

円/ﾊ

ﾟｰﾂ）

100 1000 10000 100000100

1000

10000

Conventional RTM

Autoclave

High-cycle RTM

500

5000

Thermoplastic

SMC

自動車用炭素繊維複合材料の開発

Reduction of CO2 emissions

Energy conservation

ﾌﾟﾘｶｰｻｰ

織物

フィラメント

チョップファイバー

プリプレグ

F/Wプルトルージョン

オートクレーブ

RTM 等

射出成型

炭素繊維 中間基材 コンポジット

炭素繊維サプライチェーン

Winglet(B737) Outboard & Inboard Flap(ERJ190)

Operation Head

Robot Arm

X-ray Cassette

Front Hood

Roller Shaft

I N B O A R D M A I N F L A P

I N B O A R D A F T E R F L A P

東邦のCFRP量産部品（例）

Helicopter Body

Disc Arm

Rear Spoiler Bus Body

東邦の自動車量産部品（例）

(Toyota LFA)

(Honda NSX)

(Toyota LFA)

(Honda NSX)

(Toyota LFA)

(Honda LEGEND)

(Toyota LFA)

成形 プロセス コスト 性能 生産性

Pre-preg × ○ ×

RFI △ ○ △

RTM ○ △ ○

RFIおよびRTMは、ともに構造材に適用可能な成形プロセスである

・プリプレグ法は信頼性があるが、コストが高く生産性が低い

・RFIは設備費が安価であり、大型成形物の製造に適している

・RTMは3プロセスの中で最も生産性が高い

CFRP加熱 加圧

CF基材（薄目付）

樹脂（固形）

フィルム化 プリプレグ化 積層 バギング オートクレーブ硬化 製品

ﾌｨﾙﾑ化 ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ化 積層 ﾊﾞｷﾞﾝｸﾞ ｵｰﾌﾞﾝ硬化 製品CF基材(厚目付)

樹脂(固形)CFRP

加熱 CFRP加熱

フィルム化 プリプレグ化 積層 バギング オーブン硬化 製品CF基材（厚目付）

樹脂（固形）

樹脂（固形）樹脂(液状)

加熱 CFRP

プリフォーム 型内セット 樹脂注入 型内硬化 製品

CF基材（厚目付）

樹脂（液状）

プロセス比較

成形技術の紹介

RFI プロセス

セミプレグの設計

樹脂粘度・含浸性制御 （新規樹脂開発）

厚目付NCFの開発

樹脂フィルム セミプレグ レイアップ バギング 真空＋加熱

樹脂 (固形）

CFRP

CF 織物(厚目付 NCF)

減圧/熱処理(vacuum)のみで内部欠陥なく、低コストの製品を得るための主要技術

NCF (Non Crimp Fabric)

NCF

樹脂フィルム

樹脂フィルムセミプレグ

未含浸ゾーン

RFI（セミプレグ）の特徴

FRI（セミプレグ）の主要技術

※ｾﾐﾌﾟﾚｸﾞ：部分含浸したプリプレグでRFI成形に用いる材料

CFRP

RTM

FW

RFI

ＣＰＭ

加熱

成形技術-1. ＲＦＩ （Ｒｅｓｉｎ Ｆｉｌｍ Ｉｎｆｕｓｉｏｎ）

セミプレグによるコンポジット

・内部欠点の少ないコンポジットが得られる

超音波探傷画像 〔青；欠陥あり（未含浸）、赤；欠陥なし〕

・金型面の転写性の良いコンポジットが得られる

外観（意匠性）に優れる

「セミプレグ画像」 「コンポジット画像」

ツール

真空＋加熱

脱気脱気

成形物表面

項目 効果

太番手の炭素繊維（24K）によるNCF基材の採用

基材コスト低減

積層工数 削減

セミプレグを用いた

脱オートクレーブ成形

設備投資 低減

大型成型 容易

・RFI技術 は、欧州で既に航空機構造材に適用/採用が進められている

・自動車用途ではスポーツモデルなどの限定車骨格構造に検討されているが、

今後、大型バス・トレーラー、船舶等の大型構造体への適用が期待される

NCFセミプレグを用いたRFI技術 (纏め）

オートクレーブ成形と同等のコンポジット物性も達成

材料

（基材）

ｾﾐﾌﾟﾚｸﾞ

（NCF）

ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ

（NCF)

成形方法 真空バッグ AC*

引張強度 MPa 1,000 980

弾性率 GPa 70 70

曲げ強度 MPa 1,300 1,270

弾性率 GPa 80 80

ILSS MPa 60 60

IPSS MPa 80 80

* AC: Autoclave

真空ﾌﾟﾘﾌｫｰﾑ 樹脂 過熱（加圧）

織物、ＮＣＦ ３Ｄ-プリフォーム

硬化脱型（機械加工）品質確認

RTM 開発

樹脂拡散

（ 3 ）

硬化

（ 5 ）

脱型

（ 1 ）

プリフォームセット

（ 1 ）

成形サイクル例 （分）

＜RTMの利点＞

高生産性

設備投資費用の抑制

良好な意匠性

CFRP

RTM

FW

RFI

ＣＰＭ

成形技術-2. ＲＴＭ （Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）

バインダ

層内

層間

交織

ステッチ

繊維状

粉体

半固形

格子ネット

不織布

熱可塑性樹脂

熱硬化性樹脂

熱硬化性樹脂

プリプレグ用樹脂

RTM技術 – プリフォーム -

・ 高目付NCFをベースに、ステッチ条件を最適化し、賦形性の良いプリフォーム材料を開発

・ 種々のバインダータイプを開発 ※ＬＦＡ：指定材料 使用

・ NCFパウダープリフォーム材料の量産供給体制を構築

・ 2m幅で連続供給可能

【プリフォーム材に求められる要件】

・形態安定性が高い（移動可能）

・樹脂含浸性に優れる

・簡単に賦型/作製が可能

（低コスト、高生産性）

自動車パーツ試作品

ＮＣＦ生産設備

RTM技術 –マトリックス樹脂-

自動車パーツ試作品

00.2

0.40.6

0.8

1

0 1 2 3 4 5

経過時間[min]

粘度

[dPa

・s] 94℃

97℃100℃

02468

101214

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10経過時間[min]

Log

Ion

visc

osity

0

20

40

60

80

100

120

温度

[℃]

・ 炭素繊維と接着性良好な速硬化性樹脂を開発

・ 100℃の成形条件下において、可使時間 3分を達成

（粘度3poise 以下を 3分以上）

・ 100℃の成形条件下において、5分で硬化する速硬化樹脂を開発

・ 弊社汎用プリプレグ同等のCFRP物性を達成

CF

樹脂

CF/樹脂界面 SEM写真

RTM技術 – コンポジット -

樹脂

Low-Cost

※800×1800mmで任意の15点で測定

項目 Μ（mm) σ

単品評価

（1sample X 15data）

0.99 0.03

複数評価

（50sampleX15data）

0.99 0.04

● 速硬化性樹脂を実用化

● RTM生産技術を構築

≫ 高外観； 最適成形条件／金型構造の確立

≫ 高性能； 製品厚み1.0mm（Vf55%）の薄型パネル成形可能

製品厚みのバラツキ抑制

汎用プリプレグ（オートクレーブ）

94℃×5min 100℃×5min

低粘度の可使時間 3min 3min

CFRP物性(室温下）

曲げ強度 MPa 910 970 980

曲げ弾性率 GPa 55 55 58

ILSS MPa 60 61 64

CFRP物性（80℃雰囲気）

曲げ強度 MPa 740 725 720

ILSS MPa 44 46 44

Tg (E') ℃ 137 144 121

成形条件130℃×120min

RTM成形

項目 技術

プリフォーム NCF基材による賦形性の良いプリフォーム材料を開発

織物等を含め、用途・形状に応じたプリフォームを採用

マトリックス樹脂 CFとの濡れ性に優れ、短時間硬化可能な樹脂を開発

汎用PPとほぼ同等の物性、高Tｇ

コンポジット ハイサイクル生産技術の確立、設備投資の軽減

RTM技術のまとめ

コンポジット物性比較

Steering Wheel ≫ 接合の高信頼性・Aｌ合金やMg合金との一体成形・重要保安部品での実績

≫ 様々なデザインに対応・他部品取付用段差やグリップ部形状

≫ 中空構造による軽量化・製品厚み1.0mmの中空断面

≫ 高い生産性・賦形型併用の内圧プレス成形・60min/個の生産能力

出典：トヨタ自動車㈱<http://www.lexus-lfa.com>

Rear Spoiler

内圧成形品

型にプリプレグを積層

プリプレグ内にチューブを挿入

ﾚｲｱｯﾌﾟ

チューブに圧空を充填しながら硬化する

加圧

CFRP

RTM

FW

RFI

ＣＰＭ

成形技術-3. ＣＰＭ （Compression Press Molding）

③ワインディング

１．特徴

（１） 中空構造（パイプ）の大量生産に適したプロセス

（２） 設備投資が大きいが、自動化に適している

２．成形プロセス

①クリール

②樹脂含浸

＜ﾃｰﾋﾟﾝｸﾞ＞ ＜硬化＞

マンドレルに樹脂を含浸した炭素繊維を所定の角度にワインディングした後、硬化炉で成形し、円筒・角柱等のパイプ状コンポジットを生産する技術

圧力タンク（ＣＮＧ，H2）

CFRP

RTM

FW

RFI

CPM

FW成形

成形技術-4. ＦＷ （Filament Winding）

HONDA LEGEND -Propeller Shaft-

FW成形品 採用例

≫ 正面衝突時の安全性向上・CFRP部の破壊によりエネルギーを吸収

≫ 高回転領域で使用可能・CFRPにより、固有振動数を高くできる

≫ 高い生産性・フィラメントワインディング成形・8000本/月の生産能力（1000mmサイズ）

Impact force

Engine Propeller ShaftImpact Force

CLASH

YOKEImpact absorption

by CFRP fracture

CFRPプロペラシャフトの衝突安全性

その他、短繊維系材料

射出成形チョップ

長繊維射出成形

炭素繊維

長繊維ペレット(LFT)

CF/樹脂 直接混練（Extruder）

ペレット

プレス成形(D-LFT)

その他. LFT/LFT-D （Long Fiber Thermoplastic）

PC筐体自動車部品(燃料系) 自動車部品

(フロントエンドモジュール)

ギヤ デジタルカメラ筐体

HDD筐体

短繊維材料による製品例

1㎡ 5㎡ 10㎡3㎡

生産

性

TPﾗﾝﾀﾞﾑﾌﾟﾚｽ

熱硬化 Prepreg (AC)

TP射出成形

熱硬化 SMC

熱硬化 semi-preg (Out of AC)熱硬化 VaRTM

製品サイズ

熱硬化 RTM

FW

エンドモジュール

パネル（フード、ルーフ）

部位（例）

プロペラシャフト

フライホイール

小パーツ

高(1min)

低(600min)

中(10min)

(60min)

3 万個/年

30 万個/年

5000 個/年

500 個/年

10 万個/年

終わりに

製造プロセス比較

ホワイトボディ

パネル（フェンダー）

：Direct Process(RTM,RFI)

：Direct Process：TP composite

現在 将来

Body Frame Main PartsBody Frame Main Parts

各々のパーツに適した成材料システム、成形プロセスを選択

・軽量化 ・ハイサイクル ・低コスト化

自動車部品の生産方法（例）

炭素繊維複合材料は、耐環境性（CO2削減、省エネ）による自動車軽量化ニーズ

の高まりから、従来の技術枠にとらわれない、高生産性、低コスト化を実現する開

発が世界中で始まっており、現在 大きな転換点に差し掛かっている。

熱硬化複合材料は、短期間で実用化できる技術が求められており、開発が加

速している。

従来のサプライチェーンの枠を超えたグローバルな共同体が形成されている。

熱可塑性複合材料は、国家プロジェクトベースで開発が急加速している。

実用化に向けては、先ず熱硬化性並に技術・信頼性を構築する必要があり、

中・長期的開発として取り組む体制が必要である。

炭素繊維は、将来大型需要に応えるだけの生産技術の確立が必須である。

纏め

ご清聴ありがとうございました。ご清聴ありがとうございました。

Teijin PUPA EV