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立体造形

肉厚が変化する複雑形状部品を軽量化、高強度化するための独自のCFRTP材料技術と成形技術の開発

静岡県

株式会社キャップ

2021年2月19日更新

プロジェクトの基本情報

プロジェクト名 CFRTPを用いた複雑形状部品の圧縮成形技術の開発
基盤技術分野 立体造形
対象となる産業分野 医療・健康・介護、航空・宇宙、自動車、ロボット、農業、産業機械
産業分野でのニーズ対応 高性能化(既存機能の性能向上)、高性能化(小型化・軽量化)、環境配慮、デザイン性・意匠性の向上
キーワード CFRTP、複雑形状、軽量化、高強度、ヒートアンドクール
事業化状況 研究実施中
事業実施年度 平成29年度~令和1年度

プロジェクトの詳細

事業概要

次世代自動車、ロボット、無人航空機などの成長分野で軽量化のニーズが高まっている。炭素繊維強化樹脂は軽量・高強度素材であるが、造形の難しさ、量産性、コストなどの問題があり、一部の部品への適用にとどまっている。材料として一方向炭素繊維強化樹脂テープを用い、通電抵抗加熱金型による独自の圧縮成形技術により、形状自由度が高く低コストのCFRTP(熱可塑性炭素繊維強化樹脂)造形技術の開発を目指す。

チョップドUDテープ
圧縮成形の概念図
開発した技術のポイント
UDテープ装置外観

・複雑形状の成形を可能にする材料の開発
‐炭素繊維束をポリアミド樹脂フィルムではさんで加熱圧着する実験を行い、炭素繊維束の開繊幅と加熱温度、送り速度が樹脂の含浸性に及ぼす影響を定量評価し、ボイド率が 1%程度になる加工条件を見出した。
・チョップド UD テープの圧縮成形技術の開発
‐金型構造を改良することで、急速加熱した金型温度のばらつき幅を低減した。ヒート&クール熱プレス成形により、肉厚が変化する複雑形状の成形を可能にした。
・軽量高強度な試作部品の開発
‐市販の熱硬化性 CFRP 製無人航空機用プロペラに比べて、材料密度により重量軽減を図った。
成形品の弾性率を高くすることにより、高速回転時にプロペラの反りを抑え、推力を向上させた。自動車部品(ステアリングサポート)の試作では、複雑で肉厚が変化する形状を成形できた。

具体的な成果
ステアリングサポート成形品

・複雑形状の成形を可能にする材料の開発
‐UD テープと呼ばれる一方向の炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸した材料の製造装置を開発した。UDテープ強度を測定し、繊維長15mm以上で500MPa を超える曲げ強度を得た。
・チョップド UD テープの圧縮成形技術の開発
‐金型構造を改良することで、急速加熱した金型温度のばらつき幅30℃を達成した。ヒート&クール熱プレス成形により、肉厚が3mmから17mmまで変化する複雑形状の成形を可能にした。成形サイクルを加熱工程:3分、材料投入・圧縮:3分、冷却・取り出し工程:3分、合計 9分に短縮した。
・軽量高強度な試作部品の開発
‐プロペラを試作し、市販品との比較評価を行った。市販の量産品と比べて高回転領域の水力を向上させた。4000rpmで比較し、水力が約10N向上した。
-自動車部品(ステアリングサポート)を試作した。 成形品全体のボイド率は 0.98%であり成形性が非常に高いことが分かった。インサートボルト 1本あたりの引き抜き荷重は 45.4kNであることを確認した。

知財出願や広報活動等の状況

吉田透: 複雑形状の成形を可能にする UD テープ材料と成形技術, プラスチック成形加工学会 第31回年次大会(2020年)

研究開発成果の利用シーン
小型無人航空機用プロペラ成形品

CFRTP 成形技術を開発し、従来の樹脂部品やアルミなど金属部品の軽量化、高強度化が可能となる。
具体的にはドローンのような小型無人航空機の軽量化により、飛行時間増大が期待できる。例えば、農薬散布可能な面積の拡大が可能となる。
自動車部品でアルミを用いている部品をCFRTP成形品に置き換えることで軽量化を期待できる。

実用化・事業化の状況

事業化状況の詳細

川下企業との協力関係を継続し、小型無人航空機や自動車部品の分野で事業化を進める。他に、アシストロボットのような新たな分野についても事業化の可能性を探っていく。

提携可能な製品・サービス内容

設計・製作、加工・組立・処理、素材・部品製造、試験・分析・評価、共同研究・共同開発、技術ライセンス

製品・サービスのPRポイント

UDテープと呼ばれる一方向の炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸した材料の製造装置を開発した。肉厚が変化する複雑形状を軽量・高強度に作ることが可能となり、従来の樹脂部品やアルミなど金属部品の軽量化、高強度化が可能となる。
具体的にはドローンのような小型無人航空機の軽量化により、飛行時間増大が期待できる。
自動車部品でアルミを用いている部品をCFRTP成形品に置き換えることで軽量化を期待できる。

今後の実用化・事業化の見通し

小型無人航空機用プロペラの現行品の中には、異種材料の組み合わせが原因で経年劣化が発生しているものがある。本事業で開発した技術では経年劣化の問題はなく、衝突時の飛散防止対策のための補完研究を計画している。

実用化・事業化にあたっての課題

小型無人航空機のプロペラでは、衝突時の飛散防止対策が十分にできなかったため、今後改良していく。自動車部品のステアリングサポートは、従来品と同形状での比較評価ができなかった。また成形品に相手部品を組み付けて剛性を評価できなかったので、今後評価していく。

プロジェクトの実施体制

サポイン事業者 株式会社キャップ
事業管理機関 公益財団法人浜松地域イノベーション推進機構
研究等実施機関 フタバ産業株式会社
静岡県工業技術研究所浜松工業技術支援センター
国立大学法人静岡大学
アドバイザー ヤマハ発動機株式会社
マコトバイオニクス株式会社
個人(浜松地域 CFRP 事業化研究会 会長) 室井 国昌
公益財団法人浜松地域イノベーション推進機構

サポイン事業者 企業情報

企業名 株式会社キャップ(法人番号:5080401017449)
事業内容 生産用機械・同部分品製造業
社員数 28 名
生産拠点 静岡県周智郡森町中川2022-2
本社所在地 〒437-0223 静岡県周智郡森町中川2022-2
ホームページ https://www.cap-inc.co.jp/
連絡先窓口 株式会社キャップ 開発部 吉田透
メールアドレス yoshidat@cap-inc.co.jp
電話番号 0538-49-1181