レイアッププロセスは複合材料の成形プロセスであり、通常は連続ポリマーまたはセラミック繊維と熱硬化性ポリマー液体マトリックスで作られた特定の数の異なる層を重ね合わせることで最終製品が得られます。層が事前に含浸されているかどうかに応じて、ドライレイアップとウェットレイアップに分けられます。ドライレイアップは、この分野で必要な特性である優れた機械的特性を備えた複雑な形状を得ることができるため、航空宇宙産業で一般的なプロセスです。ウェットレイアップは、より優れた機械的特性を持つ一方向織物では実行できないため、主に性能要件が低い他の分野で使用されます。[1] [2]
レイアッププロセスの主な段階は、切断、積層、重合です。[引用が必要]製造ステップの一部は自動化できますが、このプロセスは主に手作業で行われます（そのため、ハンドレイアッププロセスと呼ばれることが多い）。そのため、他の技術に比べて製造コストが高く、生産率が低いラミネートになります。[引用が必要]そのため、今日では、10〜1000個の部品の小規模な連続生産に主に適しています。[2] [3]
切断
生地の裁断はレイアップ工程の第一段階です。繊維は一般的に引張強度は高いものの、せん断強度は通常非常に低いため、比較的容易に切断できます。この工程は、手動、半自動、または全自動で行うことができます。[1]
最も一般的な切断工具は、はさみ、ナイフ、のこぎり、そして専用の切断工具です。ダイカットシステムは、より自動化された代替手段であり、より高速に、かつ複数の層の材料を一度に処理できるため、生産率を高め、コストを削減できます。[要出典]これらの方法は仕上がり精度が異なりますが、いずれも機械的な手順であり、共通して大きな欠点が1つあります。それは、切断工具と繊維が物理的に接触することです。[4]摩擦の少ない代替方法として、超音波法があります。これは、システムに組み込まれた内部発生源から発生する高周波機械振動によって刃が作動し、生地を切断する方法です。[1]また、完全に非接触の切断技術もあり、主にレーザー切断とウォータージェット切断が用いられます。これらはどちらもCNC工作機械を用いて行われます。これらの方法には共通する欠点があり、切断軸に沿って高温領域が発生し、材料の物理的特性が著しく変化する可能性があります。[1] [5]
ネスティングレイアウトとは、布地から切り取られる様々な形状の配置であり、切れ端を減らすことを目的としています。[要出典]パターンは通常デジタルで作成され、可能な場合はCNCマシンでカットされ、そうでない場合は手作業で複製されます。[1]
ラミネーション
布地のラミネーションは、レイアップ工程の第二段階です。これは、すべての層を正しい順序と向きで重ね合わせる工程です。ウェットレイアップの場合、布地は未含浸のため、樹脂の準備もこの工程に含まれます。特に高品質な製品の場合、最終製品の特性に影響を与える可能性のある層内への粒子の混入を防ぐため、ラミネーションはクリーンルーム内で行われます。 [1]
最も重要なツールは金型であり、用途に応じて雄型または雌型になります。複合材料の収縮率と熱膨張係数、必要な剛性、必要な表面仕上げ、抜き勾配、曲げ角度に応じて、様々な材料で作られます。[要出典]さらに、金型は積層温度において安定しており、動作圧力に耐え、耐摩耗性があり、他のツールとの互換性があり、洗浄溶剤に耐性があり、離型剤の塗布が容易でなければなりません。[6]
ラミネート加工の最初のステップは、金型に離型剤を塗布することです。これは、樹脂と金型自体の接着を防ぐために不可欠です。表面仕上げが必要な場合は、ピールプライ層を追加できます。[要出典]ピールプライは、塗布面に特定の粗さを与え、保管中に保護し、重合中に揮発性粒子を捕捉するために使用されるナイロンフィルムです。[要出典]次に、このプロセスで実行するすべての操作のリストを含むプライブックの指示に従って、すべてのファブリック層を重ねます。[要出典]通常、空気を排出し、より優れた機械的特性を持つ最終製品を得るために、4層または5層ごとに中間圧縮が行われます。 [1]
すべての布地層が正しい位置に配置されたら、最初の層と同じ目的で、さらに別のピールプライ層がその上に貼り付けられます。その上に、ラミネートを他の層から分離するが余分な樹脂を通過させるリリースフィルム、余分な樹脂を吸収することを主な機能とするブリーダー（[要出典]） 、ブリーダーとブリーザーを分離するバリア、真空を外面全体に均一に分散させ、真空バッグの折り目がラミネート表面に転写されるのを防ぐブリーザー、真空ポンプで作り出した真空を維持できるナイロン製の柔軟なポリマーフィルムである真空バッグ、という一連の他の層が追加されます。さらに重要な要素として、空気の漏れを防ぐために真空バッグを密閉するバルブとシーラントがあります。[1] [7] [8] [9]
この工程は、手動、半自動、あるいは全自動で行うことができます。全て手作業で行う場合、ラミネート加工は長時間を要する困難な工程となります（厳格な許容誤差が求められるため）。代替案として、半自動（「機械支援型」とも呼ばれる）工程があります。これは、機械が層を取り扱い、オペレーターがそれを金型に貼り付ける工程です。自動テープ積層機などの機械が層を正しい位置と方向に配置できる場合は、全自動工程となります。これらの自動化方法により、高い生産速度を実現できます。[1]
重合
積層板の重合は、積層工程の3番目かつ最終段階です。この段階は、最終製品に必要な特性を得るために非常に重要です。[1]
オートクレーブおよび工業用オーブンでの重合
このプロセスは、真空ポンプのみを使用して室温で行うことができ、真空を制御するために真空ポンプに接続された工業用オーブンを使用して温度と真空を制御するか、オートクレーブを使用して温度、真空、静水圧を制御することができます。[1] [10]
オートクレーブによる重合は、最高の機械的特性を持つ積層板を製造できる技術ですが、最も高価で、開放型金型しか使用できません。利点は、圧力によって複合層の接着が促進され、空気や揮発性物質が排出されるため、プロセスの品質が向上することです。[8] [11]繊維と樹脂の組み合わせごとに最適な重合サイクルがあり、繊維の濡れ性や樹脂の粘度やゲル化点などの特性に依存します。[要出典]通常、温度、圧力、真空の3つのサイクルは、3つのパラメータの最適な組み合わせを得るために実験的に研究されます。工業用オーブンによる重合は圧力制御が不要な点を除いて同様です。工業用オーブンは費用が安いため、最高の機械的強度と剛性特性を必要としない積層板に使用されます。さらに、工業用オーブンは一般的にオートクレーブよりも大きいため、標準外の寸法の部品にも使用されます。[1]
マッチドダイ成形による重合
マッチドダイ成形による重合は、平面または単純形状の積層板に用いられ、真空ポンプと電気または油圧式の熱源を備えることができる。この成形法は、雄型と雌型の金型を備えたプレス機で構成され、これらの金型が部品の形状に合わせて隙間を形成することで成形品の厚さを制御する。このプレス機はオートクレーブのように静水圧をかけることはできず、垂直方向の圧力のみをかける。マッチドダイ成形は、非常に高度な寸法制御、両面の良好な表面仕上げ、そして妥当な生産速度を可能にするが、一方で繊維のずれが生じる可能性があり、非常に高価である。[1] [8] [12]
問題
Meolaらは、航空宇宙用複合材料の評価における赤外線サーモグラフィーで、「複合材料の製造中に発生する可能性のある欠陥の種類はいくつかあるが、最も一般的なものは、繊維/遊びのずれ、繊維の破損、樹脂の亀裂または横方向の層の亀裂、空隙、多孔性、スラグの混入、繊維/樹脂の不均一な体積比、層間剥離、キッシングボンド、不適切な硬化、機械加工された穴や切り込み周辺の機械的損傷である」と指摘している。[13]
また、重合複合材料の切断に関連する3つの主要な問題を考慮する必要があります。1つ目は、強化繊維は研磨性があるため、従来の切断工具は適していません。工具寿命が非常に短く、刃先が鈍いため材料を損傷する可能性があります。[要出典] 2つ目は、複合材料の熱伝導率が低いため、熱が蓄積して変形する可能性があることです。[要出典]最後に、複合材料は切断時に層間剥離しやすいため、切断方法を選択する際にこの点を考慮する必要があります。[14] [15]
参考文献
- ^ abcdefghijklm サラ、ジュゼッペ;ディ・ランドロ、ルカ。アイロルディ、アレッサンドロ。ベッティーニ、パオロ (2015)。技術と材料、エアロスパツィアーリ(第 1 版)。ミラノ工科大学。 1 ～ 24 ページ (第 37 章)。
- ^ ab Callister Jr, William D.; Retwisch, David G.「第16章」『材料科学と工学：入門』（第8版）Wiley、 626～ 667頁。ISBN 978-0-470-41997-7。
- ^ Swift, KG; Booker, JD (2013).製造プロセス選定ハンドブック. Butterworth-Heinemann. p. 165. ISBN 9780080993577。
- ^ Fuchs, AN; Schoeberl, M.; Tremmer, J.; Zaeh, MF (2013). 「炭素繊維織物のレーザー切断」. Physics Procedia . 41 : 372– 380. Bibcode :2013PhPro..41..372F. doi : 10.1016/j.phpro.2013.03.090 .
- ^ マスード、ファティ;サプアン、SM;モフド・アリフィン、モフド・カイロル・アヌアール。ヌクマン、Y.バイラクタル、エミン（2020）。 「天然繊維強化ポリマー複合材料の切断プロセス」。ポリマー。12 (6): 4.土井: 10.3390/polym12061332。PMC 7361972。PMID 32545334。
- ^ サラ、ジュゼッペ;ディ・ランドロ、ルカ。アイロルディ、アレッサンドロ。ベッティーニ、パオロ (2015)。 「第42章」。技術と材料、エアロスパツィアーリ(第 1 版)。ミラノ工科大学。1 ～ 24ページ 。
- ^ 「真空バッグとは？」Coventive Composites. 2018年9月20日. 2022年5月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年10月1日閲覧。
- ^ abc エコールド、ジェフ（1994年1月15日）.複合構造の設計と製造. ウッドヘッド出版. pp. 273– 277. ISBN 1-85573-051-0。
- ^ Mallick, PK (2010年3月15日).軽量車両のための材料、設計、製造. Woodhead Publishing. pp. 227– 228. ISBN 978-1-84569-463-0。
- ^ 米国労働省. 「ポリマーマトリックス材料：先進複合材料」.
- ^ Jawaid, Mohammad; Thariq, Mohamed; Saba, Naheed (2018年10月3日).バイオ複合材料、繊維強化複合材料、ハイブリッド複合材料の機械的および物理的試験. Elsevier. p. 55. doi :10.1016/C2016-0-04437-6. ISBN 978-0-08-102292-4。
- ^ Tatara, Robert A. (2011). 「圧縮成形」. Kutz, Myer (編). 『応用プラスチック工学ハンドブック』. Elsevier. p. 289. doi :10.1016/B978-1-4377-3514-7.10017-0. ISBN 978-1-4377-3514-7。
- ^ Meola, Carosena; Boccardi, Simone; Carlomagno, Giovanni Maria (2016年6月29日). 「航空産業における複合材料」.航空宇宙用複合材料の評価における赤外線サーモグラフィー. Elsevier. p. 16. doi :10.1016/B978-1-78242-171-9.00001-2. ISBN 978-1-78242-172-6。
- ^ Jawaid, Mohammad; Thariq, Mohamed; Saba, Naheed (2018年10月3日).バイオ複合材料、繊維強化複合材料、ハイブリッド複合材料の機械的および物理的試験. Elsevier. pp. 135– 136. ISBN 978-0-08-102292-4。
- ^ 「複合材積層板の切断」FibreGlast。
