CFRTP 製自動車用フロアのプレス成形への取組み

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CAD／CAM／CAE③
A−8
CFRTP 製自動車用フロアのプレス成形への取組み
Efforts to car floor made by CFRTP in press forming
〔National Institute of Technology,Gunma College〕群馬工業高等専門学校
〔Asano Co., Ltd.〕㈱浅野
〔JSOL Corporation〕㈱JSOL
〔Gunma Industrial Technology Center〕群馬県立産業技術センター
1．はじめに
黒
阿
中
西
平
鏑
瀬
部
村
島
木
雅詞＊
徳秀＊＊
仁＊＊＊
正人＊＊＊＊
禎＊＊＊＊＊
哲志＊＊＊＊＊＊
引張試験はオートグラフ AGIS−500 kN（島津製作
産学官連携により、戦略的基盤技術高度化支援事業
所）と恒温槽を用いて各試験温度（25∼200℃）で行
（サポイン事業）で平成 24 年度∼26 年度の 3 カ年で
った。試験条件は JIS−K 71651）をもとに決定し、試験
「熱可塑性 CFRP による車載用大型複雑形状製品の成
速度は 2 mm／min で行った。ひずみの測定はひずみ
形技術の開発」に取り組んだ。開発の趣旨は量産性に
ゲージ法と画像相関法を用いた。また、同温度条件で
優れる熱可塑性タイプの炭素繊維複合材（CFRTP）
曲げ試験（インストロン5582）も行った。曲げ試験
を用い、車載用大型複雑形状製品を既存の金属プレス
はヒートディストーションテスター HD−PC−3（安田
機で製造する技術を確立することである。その開発に
精機）でフラットワイズ法による熱ひずみ試験も行っ
向けた各要素の取組みについて述べる。
た。
2．材料試験
ねじり試験機は常温についてのみ、複合材料ねじり
（１）試験方法
試験機 TO−1020（前川試験機）を用いて行い、±10°
CFRTP の材料特性は成形条件に左右されるため、
恒温槽において所定の温度で引張試験を行い、材料定
までのサイクル試験を実施した。
（２）試験結果
数を求めた。実験に用いた CFRTP はアクリル樹脂
室温環境における破断までの積層パターンごとの応
ベースの 0／90°の直交平織プリプレグを 4 層にして
力−ひずみ線図を図 1 に示す。0／90 配向材が最も高い
プレス成形したスタンパブルシート（SS）である。
縦弾性係数を示し、±45 が最も低い値を示すが、こ
材料試験では CFRTP の各層の繊維方向を組み合わ
の場合は非線形性が顕著に見られることがわかる。積
せて試験した。試験片寸法は 25×250×1 mm である。層パターンを変えた場合は応力もひずみもこの中間の
SS の作製では 780 t と 900 t でプレスして影響を調
挙動を示していることがわかる。
熱ひずみ試験による曲げ試験では図 2 に示すよう
べた。
に母材の PMMA よりも変位点温度は高くなり、0 材
＊
Masashi Kurose：機械工学科教授
Norihide Abe：専攻科生
〒371−8530 群馬県前橋市鳥羽町 580
＊＊＊
Hitoshi Nakamura：技術開発部
〒372−0011 群馬県伊勢崎市三和町 2718−1
＊＊＊＊
Masato Nishi：エンジニアリングビジネス事業部
〒104−0053 東京都中央区晴海 2−5−24
＊＊＊＊＊
Tei Hirashima：エンジニアリング本部
〒550−0001 大阪市西区土佐堀 2−2−4
＊＊＊＊＊＊
Tetsushi Kaburagi：技術支援係独立研究員
〒379−2147 群馬県前橋市亀里町 884−1
＊＊
の方が変形しにくい傾向にあることがわかる。また、
900 t で成形した方が変位温度は高い傾向にある。
高温における引張試験の一例として±45 の 4 層材
の 180℃ と 200℃ の結果を図 3 に示す。破線が実験
結果であり、ガラス転移温度以上では同様な傾向を示
し、せん断ロッキング角度以上から応力が増加し始め
200
（45）
4（780t）
（45）
4（900t）
（0）4（780t）
（0）4（900t）
PMMA
変位点温度（℃）
応力（MPa）
500
400
［0］
4
［45］4
（0）2（45）2
（45）
2（0）
2
（0）
（45）
2（0）
（45）
（0）
2（45）
300
200
100
0
0.000
0.006
0.012
ひずみ
0.018
図 1 積層パターンごとの応力−ひずみ線図
０２４
150
100
50
0
2
4
6
8
積層厚さ（mm）
10
図 2 母材（PMMA）と SS の熱ひずみ試験結果
12
応力τ12（MPa）
1.5
温度
50℃
1.0
185℃
せん断ロッキング
0.5
ストローク 20mm
180℃ 実験
200℃ 実験
解析 180℃以上
0.1
0.2
0.3
ひずみ ε12
0.4
ストローク 30mm
［（0/90）
］
4 ホットプレス
図 5 SS の S タイプレール温間プレスシミュ
レーション結果
0.0
0
成形中の
温度低下
0.5
トルク T（Nm）
図 3 SS の高温引張試験結果とシミュレーション結果
6
4
2
0
−2
−4
−6
−10
0/90_780_2 層
±45_780_2 層
−5
0
5
比ねじれ角φ/l（rad/m）
10
（a）しわコンター
（対称境界モデル）
図 4 面外せん断（ねじり）試験時のヒステリシス
ループ
ることがわかる。実線は後述のシミュレーション結果
である1）。
さらに、ねじり試験ではスタンパブルシートの接合
長さを変えて実験しているが、図 4 に示すように、
ヒステリシスループに差異が生じていることがわかる。
つまり、面内せん断だけでなく、面外せん断が起きる
ような場所では 0／90 材の方が非線形性を示し、±45
材の方が線形性を有するのである。
（b）フロア部品（斜め十字は SS 接合跡）
図 6 CFRTP 自動車用フロア材のシミュレーションと
成形結果
3．CAE
従来の織物繊維モデルは複雑な 3 次元構造をして
4．成形実験
おり、面内の引張圧縮特性からプレス成形のような面
シミュレーションの結果から、図（
6 a）
に示すよう
外曲げの特性は把握できない。そこで西らは、繊維基
に、自動車用フロア材の金型を調整し、成形可能な条
材の面外曲げ剛性を考慮するため、膜要素とシェル要
件を見出した。その結果、同図
（b）
に示すように従来
素を組み合わせ、非線形の曲げ剛性を付加するモデル
の 300 t 油圧プレス成形機（三起精工）を用いて 1 分
を提案した
1）
、
2）
。これにより、図 3 の実線で示したよ
以内で意匠形状を得ることができた。
うにガラス転移温度以上のせん断剛性も追従する結果
が得られるようになった。
このような材料試験パラメータを取り入れることに
より、図 5 に示すような S タイプレールの温間プレ
参考文献
１）西正人、鏑木哲志、黒瀬雅詞、平島禎、倉敷哲生：有限要素法
による織物強化熱可塑性樹脂のプレス成形解析、日本機械学会
論文集、Vol．
80、No．
820（2014）
、pp．
1−10
２）M. Nishi et al. : Forming Simulation of Thermoplastic Pre−Im-
ス成形解析も可能となった。温度と時間の関係は実験
pregnated Textile Composite, World Academy of Science, En-
により得ている。金型と接触する位置で温度が低下し、
gineering and Technology International Journal of Chemical,
剛性が高くなることで成形性が悪くなることが予測さ
れる。また、フラット部分のせん断変形によるしわの
Nuclear,MetallurgicalandMaterials Engineering, Vol. 8, No. 8
（2014）
,pp.671−679
発生状況も把握できるようになった。
型技術
第３０巻第１２号２０１５年１２月号
０２５

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