熱硬化性樹脂からなるCFRP薄板のプレス成形素形材

機械工学特別講義2015
5月11日13:00～13:50
熱硬化性樹脂からなるCFRP薄
板のプレス成形
素形材産業とは
(大規模but研究者が少ない分野)
生産技術研究所
潤 (S59卒, H1博士修了)
柳本
航空機用素形材(機体・エンジン)
http://www.cmi.iis.u-tokyo.ac.jp/
1
業界の構造 (©経済産業省素形材技術室 2013/4)
素形材産業
総出荷額：8兆円
従業員数：43万人
事業所数：3.6万社
炭素繊維―「軽くて強い」鋼の1/4の⽐重、10倍の強度
11兆2,291億円, 74,403人, 150事業所 (1事業所あたり749億円,496人)
非鉄金属業*2
これを構造材料として⽤いるため、樹脂と組み合わせた複合材料
3兆2,341億円,23,866人,622事業所(1事業所あたり52億円,38人)
鋳造
1兆0,164億円, 50,700人,2,246事業所
(1事業所あたり5億円,23人)
川中
炭素繊維強化プラスチック(CFRP)
鉄鋼業*1
川上
鍛造
金型
1兆1,210億円, 91,156人, 9,662事業所
(1事業所あたり1億円,9人)
ダイカスト
5,220億円, 18,352人,794事業所
(1事業所あたり7億円,23人)
6,224億円, 26,051人, 1,050事業所
(1事業所あたり6億円,25人)
粉末冶金
熱処理
2,820億円, 11,047人,127事業所
(1事業所あたり22億円,87人)
産業機械産業
金属プレス
1兆6,910円, 84,212人, 6,994事業所
(1事業所あたり2億円,12人)
素形材関連機器等
2,600億円, 14,931人,676事業所
(1事業所あたり4億円,22人)
2兆5,245億円, 134,981人14,185事業所
(1事業所あたり2億円,10人)
情報通信機器産業
23兆9,778億円,919,577人,53,457事業所
(1事業所あたり5億円,17人)
12兆5,903億円, 213,822人, 2,649事業所
(1事業所あたり48億円,81人)
自動車製造業
川下
2
18兆5,160億円, 161,158人, 72事業所
(1事業所あたり2,572億円,2,238人)
素形材業界の取引先業界は、生産額ベースで自動車業界が約７割、産業機械業界が約２割。
（出所）出荷額は平成22年工業統計【産業編】推計を含む全製造事業所に関する統計表より
*1高炉による製鉄業、製鋼・製鋼圧延業（転炉・電気炉を含む）、熱間圧延業（鋼管、伸鉄を除く）、冷間圧延業（鋼管、伸鉄を除く）の合計
*2第１次製錬・精製業、第２次製錬・精製業の合計
3
材料
⾼強度材料の機械的特性
引張強さ
密度
(MPa)
(g/cm3)
繊維と樹脂の種類
のび
(%)
炭素繊維
4,900
1.8
5
エポキシ
50～70
1.1～1.2
25
ハイテン
600～1400
7.8
15
Al合金
100～600
2.8
20
[1,2]
繊維＼樹脂熱可塑性樹脂熱硬化性樹脂
短繊維
成形○・強度
△
成形△・強度
△
長繊維
成形○・強度
○
成形△・強度
◎
⼆次加⼯の成形性を向上して
より⾼強度な材料を得る
⻑繊維・熱硬化のCFRPに着⽬
4
[1]NEDO「サステナブルハイパーコンポジット技術の開発」(髙橋淳教授)
[2]次世代複合材技術確⽴⽀援センター(NCC: ナショナルコンポジットセンター)整備事業 (名古屋⼤学)
CFRPの製造⼯程
Product quality
Strength and stability
RTM（樹脂注⼊法）
オートクレーヴ法
低⽣産性・⾼コスト
炭素繊維
プリプレグ
樹脂含浸
積層板
High
High
研究背景
Forming
temperature
Hot
Autoclave
of prepreg
Resin transfer
molding
Hot
stamping
Injection
molding
製品
積層・硬化
Productivity
固相成形[3]
材料の構造設計
成形性＋
Cold
Cold and warm
stamping of
solidified CFRP
Cost
High
Low
Figure 1 Forming method of FRPs in two‐
dimensional planes characterized by ‘productivity’ and ‘strength and stability’ axes. 6
強度
5
[3] Yanagimoto J. and Ikeuchi K., “Sheet Forming Process of Carbon Fiber Reinforced Plastics for Lightweight
Parts”, CIRP Annals-Manufacturing Technology 61.1, (2012), pp.247-250.
t0.3_0
Prepreg (t=0.1mm)
Solidifying by autoclave
Thickness: 0.3mm
(Same direction)
t0.3_45
t0.3_90
t0.5_0/90
Thickness: 0.5mm
(Perpendicular direction)
t0.5_45/135
J. Yanagimoto, T. Oya, S. Kawanishi, N. Tiesler and T. Koseki:
Annals of the CIRP, 59-1(2010), 287-290
a. Embossing
Figure 2 Forming process of CFRP sheet proposed 7
in this investigation. b. Hat bending
c. V-bending
Figure 3 Macrostructure of prepreg and layered 8
CFRP sheets used in this investigation.
Table 1 Summary of experimental conditions for the embossing, hat bending, and V‐bending of CFRP sheet.
CFRP sheet
Forming temp.
Dummy sheet
t0.3_45
293K
(Room temp.)
373K
Mild steel
(tD: 0.3mm, 1.0mm)
Embossing
t0.3_0
t0.3_90
t0.5_0/90 t0.5_45/135
Hat bending
t0.3_0
t0.3_90
t0.5_0/90
V‐bending
Hydraulic
servo
press
(50kN)
AC servo
press
(1100kN)
Mild steel
(tD: 0.3mm)
293K
(Room temp.)
373K
473K
Mild steel
(tD: 1.0mm)
t0.3_0 t0.3_90 t0.5_0/90
Mechanical properties, Toray prepreg P3252S-10, vf 40～50%
Resin (Epoxy): Elongation ≒20%, Cure temperature ≒130℃, Grass transition temp. ≒200℃
Carbon fiber: Elongation ≒5%, Strength ≒5 [GPa]
a. Embossing
b. Hat bending
c. V-bending
Figure Servo presses used in experiment.
9
10
Stroke: 3mm
16
t0.3_0
4
Punch
t0.3_45
t0.3_90
t0.5_0/90
t0.5_45/135
tD :1.0mm
293K
25
R2
tD :1.0mm
373K
20
Die
20
Blank holder
Induction heating coil
R4
36
8
tD :0.3mm
373K
20
Stroke: 6mm
Figure 4 Dimension of dies in embossing of 11
CFRP sheet.
Figure 6 Profile of CFRP sheet after embossing.
12
t0.3
Strain gradient of 2max/t =
max
(Initiation of necking)
Punch
b
b
Blank
holder
t0.5_0/90
max
Redundant strain increment of point A due to initiation of necking b is suppressed by uniformity of strain gradient.
Total thickness t
Radius 1/
Die
 max 
Heater
Figure 9 Overview of dies and punch for hat bending. 13
t
t

2 Rn
2
(1)
d  b 2 max
t 1

 2   
dy
t
2 t
Figure 7 Mechanism of formability enhancement of a sandwiched CFRP sheet 14
by the proposed forming process.
X線CTによる内部状態観察
Embossing
t0.5_45/135 CFRP sheet
(2)
成形後試験片評価のための引張試験
Specimen: t0.5_0/90・tD :1.0mm
Formed at 373K
Specimen: t0.5_0/90
tD :1.0mm・Formed at 373K
（成形前の試験片と比較）
As prepared
Formed at 373K
A
As prepared
TS=1.9GPa
B
Figure 8 Macrostructure of CFRP sheet after embossing.
Formed at 373K
TS=1.7GPa
15
16
遺伝的アルゴリズム(GA)〜組み合わせ最適化アルゴリズム
積層構造決定を各層の積層⾓度の組合せ最適化問題として扱う
[0°, (±15°, ±30°, )±45°, (±60°, ±75°, )90°]
開始
数値試験解析条件
引張試験結果をもとに解析モデルを作成し，解析が試験結果を再現するか確認する
直交異⽅性弾性の材料特性
・・・各個体の遺伝⼦(各層の積層⾓度)をランダムに決定
初期化
41
No
・・・FEM解析を⾏い，破壊則で成形性を評価
選択
・・・評価の低い下位半分の個体を淘汰
交叉
・・・評価の⾼かった個体の遺伝⼦を混ぜ合わせ⼦を作成
1
・・・低い確率で遺伝⼦をランダムに突然変異
0.33 0.33
0.5
2.3
2.3
2.2
0.0138
0.0138
0.0275
0.0275
0.0138
[0/90/0/0/90/0]-0°引張曲げ試験
モデル形状・⼨法は試験に準拠
境界条件：変位拘束
相互作⽤：接触(摩擦なし)
これに加え，⼀度解析したものと同⼀の個体について
強制的に突然変異を起こす重複回避のプロセス
終了条件
6.6
異⽅性降伏パラメータ
評価
突然変異
6.6
積層板モデル・メッシュ
層ごとのパートでメッシュを切り、各層間
に結合の拘束条件
(層間すべりを無視した連続体モデル)
ソルバ：
Abaqus/Standard(静的陰解法)
Abaqus/Explicit(動的陽解法)
Yes
終了
18
17
Emboss 3mm絞り試験解析〜GA 対称積層
I
1
研究室の課題(HPを参照下さい)
①
60°
0.9
Trial35: [60/-75/-45/-45/-75/60]
I = 0.6280
0.8
-60°
-75°
Trial107: [60/-60/-75/-75/-60/60]
I = 0.6138
0.7
0.6
0.5
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Trial
個体数8, 50世代(204試⾏)
・上位２つの構造と⼀般的な構造について，検証実験を⾏う
②
③
④
①[60/-60/-75]s: I = 0.6138
90°
90°
45°
60°
②[60/-60/90]s: I = 0.6202
0°
③[0/90/0]s: I = 0.8401
19
-45°
-60°
④[45/-45/45]s: I = 0.7055
•
•
•
•
Gr3: CFRP薄板の成形
Gr1: 非結合流れ則に基づくCAEとDDD
Gr4: 航空機用素形材(Ti合金の材料ゲノム)
Gr2: 変形加工によるミクロ組織・マクロ
特性制御

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