近年、国内外で炭素繊維強化熱可塑性複合材製品の新しい成形技術が登場しています。これらの技術には、自動繊維配置、超音波急速固化成形、レーザー固化成形、電子ビーム硬化、真空アシスト成形、3D プリントなどがあります。これらの新しい成形技術は、高効率、低コスト、低エネルギー消費、高度な自動化を実現しますが、炭素繊維の用途における現在の技術的制限により、従来の方法が依然として重要な役割を果たしています。

ピーク、PI、お知らせ などの熱可塑性樹脂は、耐腐食性、耐損傷性、耐衝撃性、破壊靭性に優れています。また、加熱すると軟化して溶けるため、繰り返し使用できます。高強度の炭素繊維と組み合わせると、これらの炭素繊維強化熱可塑性複合材は、航空宇宙、軍事、高級民間用途で急速に普及しました。時間の経過とともに、炭素繊維用途向けにさまざまな成形プロセスが開発されました。サクソブラン&注意;新素材株式会社は炭素繊維複合製品の製造を専門とし、広く使用されている成熟した成形方法のいくつかの利点と欠点を比較してきました。

オートクレーブ成形プロセス

オートクレーブ成形は、オートクレーブ内の高温の圧縮ガスを使用して、プリプレグを加熱および加圧し、成形します。この方法は、樹脂ベースの複合材料の一体成形に広く使用されており、工業生産において重要な意味を持っています。たとえば、航空機の胴体、方向舵、昇降舵、主翼外板、尾翼に使用される炭素繊維強化熱可塑性複合構造部品の80％は、オートクレーブ成形を使用して製造されています。

オートクレーブ成形プロセスでは、プリプレグは金型内の真空バッグに密封され、圧縮空気によるあらゆる方向の均一な圧力が確保されます。オートクレーブ内の圧縮空気の高速流れにより、加熱段階と冷却段階の両方で均一な加熱が確保されます。さらに、オートクレーブ内の圧力と温度が安定しているため、複合製品の多孔性が低く、繊維分布が均一になります。したがって、オートクレーブ成形された炭素繊維強化熱可塑性製品は、均一な圧力/熱分布と安定した品質を示し、この方法は大型で複雑な構造部品の製造に適しています。ただし、欠点としては、設備がかさばって複雑であること、エネルギー消費量が多いこと、投資と生産コストが高額であること、効率が低いことなどが挙げられます。

圧縮成形プロセス

圧縮成形には、材料の可塑化、金型キャビティへの充填、樹脂の硬化などのさまざまな段階が含まれます。炭素繊維強化熱可塑性複合成形材料が金型キャビティに流入する間、熱可塑性樹脂と強化高強度炭素繊維の両方が流れる必要があり、他の方法と比較して成形圧力が高くなります。このプロセスには、圧力制御が可能な油圧プレスと、高強度、高精度、耐高温の金属金型が必要です。無錫志尚新材料は、炭素繊維強化熱可塑性複合製品の製造に一般的にオートクレーブと圧縮成形法を採用しています。

圧縮成形された熱可塑性炭素繊維強化製品は、内部応力が低く、反りが最小限で、表面が滑らかで、寸法精度が高く、機械的特性が安定しており、収縮が少なく、再現性に優れています。この方法は、生産効率が高く、複雑な構造を一度に成形できるため、大型の平らな製品の成形に適しており、大量生産、特化、自動化が容易になります。ただし、金型製造の複雑さと高コスト、成形サイクルの長さ、金型の完全な充填の実現の難しさは、炭素繊維の用途における顕著な欠点です。

フィラメントワインディングプロセス

フィラメントワインディングでは、樹脂を含浸させた連続した高強度炭素繊維を予熱し、マンドレルに巻き付けます。連続加熱と圧力の適用により、プリプレグが一体化した構造に固まり、層ごとに目的のコンポーネントが形成されます。加熱温度、巻き取り方法、押し出しギャップ、樹脂温度、繊維巻き取り張力などの要因が、製品の品質に直接影響します。

オートクレーブ法と比較すると、フィラメントワインディング法は機械化生産に適しており、巻きパターンを変更することで炭素繊維の強度性能を調整できます。ただし、巻き付け時に炭素繊維がマンドレル表面にしっかりと接着できないため、この方法は凹面または凸面のある部品の製造には適していません。

プルトルージョンプロセス

プルトルージョンでは、高強度の炭素繊維を樹脂に含浸させ、ダイに通して圧力をかけながら成形・硬化させ、連続した長さの複合製品を形成します。このプロセスは、連続した一定断面の部品の製造に適しています。つまり、直線状のプロファイルしか製造できず、複雑な形状の構造部品は製造できません。さらに、製品の異方性により、横方向の強度が制限され、炭素繊維強化製品への応用に制約が生じます。

このプロセスは、線形炭素繊維強化熱可塑性製品の大規模生産において、高度な自動化、低エネルギー消費、高炭素繊維含有量、安定した製品品質、および低原材料消費を実現しており、特定の製品タイプを生産するための好ましい方法です。

新技術

近年、炭素繊維強化熱可塑性複合材製品の新しい成形技術が世界中で数多く登場しています。これには、自動繊維配置、超音波急速固化、レーザー固化、電子ビーム硬化、真空支援成形、3Dプリントが含まれます。これらの新しい技術は、高効率、低コスト、低エネルギー消費、高度な自動化を実現します。しかし、中国の現在の技術レベルを考えると、先進国と比較して、研究と実用化の面で大きなギャップが残っています。かなりの期間、従来の成形方法は、炭素繊維強化熱可塑性複合材構造部品や炭素繊維用途のその他の製品の製造に不可欠なままです。