複合材料の原材料には、樹脂、繊維、芯材などが含まれます。選択肢は数多くあり、それぞれの材料には独自の強度、剛性、靱性、熱安定性があり、コストや生産量も異なります。
しかし、複合材料全体の最終的な性能は、樹脂マトリックスと繊維（およびサンドイッチ構造のコア材料）だけでなく、構造内の材料の設計方法や製造プロセスとも密接に関係しています。 。
この記事では、一般的に使用される複合材料の製造方法、各方法に影響を与える主な要因、およびさまざまなプロセスでの原材料の選択方法を紹介します。
方法の説明:チョップドファイバー強化材料と樹脂システムを同時に金型内にスプレーし、常圧下で硬化させて熱硬化性複合製品を形成する成形プロセス。
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、別途ラミネートと組み合わせる必要があります
主な利点:
1) 長い歴史を持つ職人技
2) 低コスト、高速ファイバーと樹脂の敷設
3) 金型コストが安い
主な欠点:
1) 積層板は樹脂濃化領域が形成されやすく、重量が比較的大きい
2) チョップドファイバーのみを使用できるため、ラミネートの機械的特性が大幅に制限されます。
3) スプレーを容易にするために、樹脂粘度は複合材料の機械的および熱的特性を失うのに十分低い必要があります。
4) スプレー樹脂のスチレン含有量が高いと作業者に対する潜在的な危険性が高く、粘度が低いと樹脂が従業員の作業着に浸透しやすく、皮膚に直接接触しやすい
5) 空気中に揮発するスチレンの濃度が法的要求を満たすことが困難である
典型的なアプリケーション:
簡易フェンス、コンバーチブル車体、トラックフェアリング、バスタブ、小型ボートなどの低荷重構造パネル
メソッドの説明:手作業で繊維に樹脂を含浸させます。繊維は、織ったり、編んだり、縫製したり、接着したりすることで強化できます。ハンドレイアップは通常、ローラーやブラシを使用して行われ、その後ゴムローラーで樹脂を絞り、繊維に浸透させます。積層体を常圧下で硬化させた。
材料の選択:
樹脂: 要件なし、エポキシ、ポリエステル、ポリビニルエステル、フェノール樹脂が許容されます
繊維: 必須ではありませんが、目付が大きいアラミド繊維はハンドレイアップでは浸透することが困難です。
コア材質: 要件なし
主な利点:
1) 長い歴史を持つ職人技
2) 学びやすい
3) 室温硬化樹脂を使用すると金型コストが安くなります
4) 豊富な材料とサプライヤーの選択
5) 繊維含有量が高く、使用される繊維はスプレープロセスよりも長い
主な欠点:
1) 樹脂の混合、樹脂含有量、および積層板の品質はオペレーターの熟練度に密接に関係しており、樹脂含有量が低く、気孔率が低い積層板を得るのは困難です。
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は大きくなります。粘度が低いほど樹脂が従業員の作業服に浸透しやすくなり、皮膚に直接接触しやすくなります。
3) 適切な換気設備が設置されていない場合、ポリエステルおよびポリビニルエステルから空気中に揮発するスチレン濃度が法的要件を満たすことが困難になります。
4) ハンドレイアップ樹脂の粘度は非常に低くする必要があるため、スチレンまたはその他の溶剤の含有量を多くする必要があり、その結果、複合材料の機械的/熱的特性が失われます。
代表的なアプリケーション：標準風力タービンブレード、量産ボート、建築模型
方法の説明:真空バッグプロセスは、前述のハンドレイアッププロセスの延長です。つまり、プラスチックフィルムの層を型にシールしてハンドレイドラミネートを真空にし、ラミネートに大気圧を加えて、排気と圧縮の影響。複合材料の品質を向上させる。
材料の選択:
樹脂：主にエポキシ樹脂やフェノール樹脂、ポリエステルやポリビニルエステルは真空ポンプ内で揮発するスチレンを含むため不向き
繊維: 要件はありません。坪量の大きい繊維でも圧力をかけると湿らせることができます。
コア材質: 要件なし
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プロセスよりも気孔率が低い
3) 負圧条件下では樹脂が十分に流動するため、繊維の濡れ性が向上します。もちろん、樹脂の一部は真空消耗品に吸収されます。
4) 健康と安全: 真空バッグプロセスにより、硬化中の揮発性物質の放出を減らすことができます。
主な欠点:
1) 追加のプロセスにより、人件費と使い捨て真空バッグ材料のコストが増加します。
2) オペレーターに対する高度な技術要件
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します。
4) 真空バッグは揮発性物質の放出を減らしますが、オペレーターへの健康への脅威は依然として注入またはプリプレグプロセスよりも高いです。
代表的なアプリケーション：一回限定の大型ヨット、レーシングカー部品、造船におけるコア材の接着
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メソッドの説明:巻き付けプロセスは、基本的にパイプやタンクなどの中空、円形、楕円形の構造部品を製造するために使用されます。繊維束に樹脂を含浸させた後、マンドレルにさまざまな方向に巻き取ります。この工程は巻線機とマンドレルの速度によって制御されます。
材料の選択:
樹脂: エポキシ、ポリエステル、ポリビニルエステル、フェノール樹脂などの要件はありません。
繊維: 要件なし。クリールの繊維束を直接使用し、繊維布に織り込んだり縫い付け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、スキンは通常単層複合材料です。
主な利点:
1) 生産スピードが速く、経済的で合理的な積層方法です。
2) 樹脂タンクを通過する繊維束が保持する樹脂量を測定することで、樹脂含有量を管理できます。
3) 繊維コストを最小限に抑え、中間製織プロセスを不要にします。
4) 直線状の繊維束を様々な耐荷重方向に敷設できるため、構造性能に優れています。
主な欠点:
1) このプロセスは円形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正確に配置するのは容易ではない
3) 大型構造部品のマンドレル雄型のコストは比較的高い
4) 構造体の外面が金型表面ではないため美観が劣る
5) 低粘度樹脂を使用する場合は、化学的性能、安全衛生性能に注意する必要があります。
代表的なアプリケーション：化学物質の貯蔵タンクと供給パイプ、シリンダー、消防士の呼吸タンク
方法の説明:クリールから引き出された繊維束を熱板に浸漬して通過させ、熱板上の繊維に樹脂を浸透させ、樹脂含有量を制御し、最終的に必要な形状に硬化させます。この形状が固定された硬化物を機械的に様々な長さに切断します。繊維は 0 度以外の方向からもホットプレートに入る可能性があります。
引抜成形は連続的な生産プロセスであり、通常、製品の断面形状は固定されており、多少の変更は可能です。ホットプレートを通過するプリウェット材料を固定し、金型に広げて即時硬化させます。このプロセスは連続性が低いですが、断面形状が変化する可能性があります。
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、フェノール樹脂など。
繊維: 要件なし
芯材：一般的には使用されない
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ための経済的かつ合理的な方法です。
2) 樹脂含有量の精密な制御
3) 繊維コストを最小限に抑え、中間製織プロセスを不要にします。
4) 繊維束が直線状に配列されており、繊維体積率が高いため、構造性能に優れています。
5) 繊維浸透領域を完全に密閉して、揮発性物質の放出を減らすことができます。
主な欠点:
1) この工程により断面形状が制限される
2) 加熱プレートのコストが比較的高い
代表的なアプリケーション：住宅構造、橋、はしご、フェンスなどの梁やトラス
6. レジントランスファーモールディング(RTM)
方法の説明:下型に乾燥した繊維を敷き、あらかじめ圧力をかけて繊維を型の形状にできるだけフィットさせて接着させます。次に、上型を下型に固定してキャビティを形成し、そのキャビティ内に樹脂を注入します。
通常、真空補助樹脂注入および繊維への浸透、すなわち真空補助樹脂注入プロセス (VARI) が使用されます。繊維の浸透が完了すると、樹脂導入バルブが閉じられ、複合材料が硬化します。樹脂の注入および硬化は室温または加熱条件下で行うことができます。
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使用可能
繊維: 要件なし。繊維束のギャップにより樹脂の転写が容易になるため、ステッチされた繊維の方がこのプロセスに適しています。樹脂の流れを促進するために特別に開発された繊維があります
コア材料: ハニカムフォームは、ハニカムセルに樹脂が充填され、圧力によりフォームが崩壊するため、適切ではありません。
主な利点:
1) 高い繊維体積分率と低い空隙率
2) 樹脂が完全に密封されているため、健康的で安全、使用環境も清潔です。
3) 労働力の削減
4) 構造部品の上下が金型面となっており、その後の表面処理が容易
主な欠点:
1) 併用する金型は高価であり、より大きな圧力に耐えるために重くて比較的扱いにくい
2) 小型部品の製造に限る
3）非接液部が発生しやすく、スクラップ量が多くなる
代表的なアプリケーション：小さくて複雑なスペースシャトルと自動車部品、電車の座席
7. その他の灌流プロセス – SCRIMP、RIFT、VARTM など
方法の説明:RTM プロセスと同様の方法で乾燥した繊維を置き、次に剥離布と排水ネットを置きます。レイアップが完了した後、真空バッグで完全に密閉され、真空度が一定の条件に達すると、樹脂がレイアップ構造全体に導入されます。ラミネート内の樹脂の分布は、樹脂の流れをガイドネットを通してガイドすることによって達成され、最終的に乾燥繊維が上から下まで完全に浸透します。
材料の選択:
樹脂：通常エポキシ、ポリエステル、ポリビニルエステル樹脂
ファイバー: 一般的なファイバー。繊維束のギャップにより樹脂の転写が促進されるため、ステッチされた繊維はこのプロセスに適しています。
コア材質: ハニカムフォームは適用されません
主な利点:
1) RTM プロセスと同じですが、片面のみが金型表面になります。
2) 金型の片面が真空バッグになっているため、金型のコストが大幅に節約され、金型の耐圧要件が軽減されます。
3) 大きな構造部品は、繊維体積分率が高く、気孔率が低い場合もあります
4) 標準のハンドレイアッププロセス金型を改造してこのプロセスに使用できます。
5) サンドイッチ構造の一括成形が可能
主な欠点:
1) 大型構造物の場合、工程が比較的複雑であり、補修が避けられない
2) 樹脂の粘度は非常に低くなければならないため、機械的特性も低下します。
3）非接液部が発生しやすく、スクラップ量が多くなる
代表的なアプリケーション：小型船舶、電車・トラックの車体パネル、風力発電ブレードの試作
方法の説明:繊維または繊維布帛は、素材メーカーにより触媒を含む樹脂を予め含浸されており、その製造方法は高温高圧法または溶剤溶解法である。触媒は室温で潜在性があるため、材料の保存寿命は室温で数週間または数か月になります。冷蔵保存すると保存期間を延ばすことができます。
プリプレグを手または機械で金型の表面に置き、真空バッグで覆い、120 ～ 180°C に加熱します。加熱後、樹脂は再び流動し、最終的には硬化します。オートクレーブを使用して材料に追加の圧力 (通常は最大 5 気圧) を加えることができます。
材料の選択:
樹脂：通常はエポキシ、ポリエステル、フェノール樹脂、ポリイミド、シアン酸エステル、ビスマレイミドなどの高温耐性樹脂も使用可能
繊維: 要件なし。繊維束または繊維クロスが使用可能
コア材料: 要件はありませんが、フォームは高温および高圧に耐性がある必要があります。
主な利点:
1) 樹脂と硬化剤の比率および樹脂含有量はサプライヤーによって正確に設定されるため、繊維含有量が高く、気孔率が低いラミネートを非常に簡単に得ることができます。
2) この材料は健康と安全に優れた特性を備えており、作業環境はクリーンであり、自動化と人件費を節約できる可能性があります。
3) 一方向材料繊維のコストが最小限に抑えられ、繊維を布地に織り込むための中間プロセスが必要ありません。
4) 製造プロセスでは、高粘度で濡れ性が良く、機械的特性と熱的特性が最適化された樹脂が必要です。
5) 室温での作業時間が延長されるため、構造の最適化や複雑な形状のレイアップも容易に達成できます。
6) 自動化と人件費の節約の可能性
主な欠点:
1) 材料費が高くなりますが、用途を満たすためにはやむを得ません。
2) 硬化を完了するにはオートクレーブが必要ですが、コストが高く、操作時間が長く、サイズの制限があります。
3) 金型は高いプロセス温度に耐える必要があり、コア材料も同じ要件を満たしている必要があります。
4) 厚い部品の場合、層間の気泡を除去するためにプリプレグを積層するときに事前真空が必要です。
代表的なアプリケーション：スペースシャトル構造部品（翼、尾翼など）、F1レーシングカー
9. プリプレグ – 非オートクレーブプロセス
方法の説明:低温硬化プリプレグの製造プロセスはオートクレーブ プリプレグと全く同じですが、樹脂の化学的特性により 60 ～ 120°C で硬化できる点が異なります。
60℃の低温硬化の場合、材料の作業時間はわずか1週間です。高温触媒 (>80°C) の場合、作動時間は数か月に及ぶ場合があります。樹脂システムの流動性により、オートクレーブの使用を避け、真空バッグのみを使用して硬化できます。
材料の選択:
樹脂：通常はエポキシ樹脂のみ
繊維: 要件なし、従来のプリプレグと同じ
コア材料: 要件はありませんが、標準の PVC フォームを使用する場合は特別な注意を払う必要があります。
主な利点:
1) 従来のオートクレーブプリプレグのすべての利点を備えています ((i.))-((vi.))
2) 硬化温度が低いため、金型材料が木材など安価である
3) 大型構造部品の製造プロセスが簡素化され、硬化要件を満たすために真空バッグを加圧し、オーブンの熱風または金型自体の熱風加熱システムを循環させるだけで済みます。
4) 一般的な発泡材料も使用でき、プロセスはより成熟しています。
5) オートクレーブと比較して、エネルギー消費量が低い
6) 高度な技術により、良好な寸法精度と再現性が保証されます。
主な欠点:
1) 樹脂コストは航空宇宙用プリプレグよりも低いものの、材料コストは依然として乾燥繊維よりも高い
2) 金型は注入プロセスよりも高い温度 (80 ～ 140 °C) に耐える必要があります。
代表的なアプリケーション：高性能風力タービンブレード、大型レーシングボートやヨット、救助航空機、鉄道部品
10. セミプレグSPRINT/ビームプリプレグSparPregの非オートクレーブプロセス
方法の説明:より厚い構造（>3mm）のプリプレグを使用する場合、硬化プロセス中に層間または重なった層の間の気泡を排出するのは困難です。この問題を克服するために、積層プロセスに事前真空化が導入されましたが、プロセス時間が大幅に増加しました。
近年、Gurit は特許技術を使用した一連の改良されたプリプレグ製品を導入し、高品質 (低気孔率) のより厚い積層板の製造を 1 段階のプロセスで完了できるようにしました。セミプレグ SPRINT は、樹脂フィルム層を挟んだ 2 層の乾燥繊維で構成されています。材料を金型に配置した後、樹脂が加熱して繊維が柔らかくなり浸透する前に、真空ポンプによって中の空気を完全に排出できます。固まった。
ビーム プリプレグ SparPreg は、真空下で硬化すると、接着された 2 層材料から気泡を簡単に除去できる改良されたプリプレグです。
材料の選択:
樹脂：主にエポキシ樹脂、その他の樹脂も使用可能
繊維: 要件なし
コア材料: ほとんどの場合、標準の PVC フォームを使用する場合は高温に特別な注意を払う必要があります。
主な利点:
1) 厚い部品 (100mm) の場合でも、高い繊維体積分率と低い気孔率を正確に取得できます。
2) 樹脂系の初期状態は固体であり、高温硬化後の性能は優れています。
3) 低コストの高坪量繊維布 (1600 g/m2 など) の使用を可能にし、レイアップ速度を高め、製造コストを節約します。
4) プロセスは非常に高度で、操作は簡単で、樹脂含有量は正確に制御されます。
主な欠点:
1) 樹脂コストは航空宇宙用プリプレグよりも低いものの、材料コストは依然として乾燥繊維よりも高い
2) 金型は注入プロセスよりも高い温度 (80 ～ 140 °C) に耐える必要があります。
代表的なアプリケーション：高性能風力タービンブレード、大型レーシングボートやヨット、救助航空機
投稿日時: 2022 年 12 月 13 日
