近畿大学理工学部のトップランナーいま注目の最先端研究

軽量化の切り札“CFRP”のポテンシャルアップを目指して
～金型と成形の複合化技術で、量産・再利用に挑む～

• 教員の所属・職位については、記事公開時のものです。現在の所属・職位とは異なることがあります。ご了承ください

地球環境にやさしい軽量化のために

地球環境保護の観点から、私たちはあらゆる社会活動においてCO2の排出量を減らす必要があります。なかでも航空機や自動車等の輸送機器の燃料消費量を減らすには、それらの重量自体を減らすことが効果的です。しかし、自動車の場合では衝突時の安全性や乗車時の快適性を高めるために、開発が進むほど搭載される機器が増え、逆に重量が増えていく傾向にあります。そのため、燃費向上の切り札として、輸送機器に用いられている構造材料を軽量化することが急務として求められています。その際、製造時のエネルギーの消費量を抑えるとともに、製造時に排出される不用材を有効に再利用し、使用後の廃棄物も再資源化しやすい “地球環境にやさしい材料および製造法”を選ぶ必要があります。これをできるだけコストを抑え、広く使って頂きやすいように工夫することが我々の使命です。

金属からCFRPへ、素材革命が起きる

炭素繊維とCFRP成形品例

目指すはCFRPの地産・地消・地再

歯ブラシから人工衛星まで、何でもつくれる全国屈指の中小企業の集積地である東大阪市内の企業5社と、私たちはCFRPの量産・再利用のための『e-コンポジット研究会』を東大阪市役所経済部のご協力により立ち上げました。まだまだ高価なCFRPの材料をいかに有効に使うか？この研究会では産学連携で既存の金属プレス機を活用したCFRP製品の量産のための加熱装置やリサイクルのための技術開発を行いました。研究対象とした材料は熱可塑性樹脂を用いた高性能なCFRPです。従来の熱硬化性CFRPよりも生産性・耐衝撃性・再利用性に優れているため、近年非常に注目されています。また、この熱可塑性CFRPは金属材料の代表的な加工法である打ち抜きやプレス成形、プラスチック材料の加工法であるインサート射出成形や溶接など、量産性に富む多様な製造法が適用できるようになっています。

e-コンポジット「地産・地消・地再」

手づくり装置から事業化へ道を拓く

創製加工学研究室ではCFRPの量産・再利用の研究に着目し、それらの製造装置は限られた研究環境の中で独自に設計・製作し、これを企業に提供・事業化することで社会に貢献したいと思っています。これまで、小型サーボプレスを用いた熱可塑性CFRPのプレス打抜き加工時の負荷状態や損傷挙動を調査し、その低減化のための打抜き工具や金型を開発し、なんと家庭用の100Vで動く畳一畳程度のミニ製造装置を開発し、展示会に出展したことでテレビや新聞でも紹介頂きました。最先端の材料・製造技術をいかにわかりやすく一般の方々に知ってもらうか、そのことの大切さを知りました。
同時に、地域の共同研究先の企業では共同開発した熱可塑性CFRP専用の加熱・搬送装置を既設の金属プレス機に付属して受注製造の事業化に向かっています。また、金型製造企業においても、CFRPの金型製造の受注や相談も増え、またCFRPのプレス成形時の不用品および使用後の廃棄品を有効に利用するための装置の高度化へと開発が進められています。私たちはこれを『インダストリアルCFRP』と命名し、すでにその幕開けが始まっているのです。

熱可塑性CFRP専用のミニ製造装置

熱可塑性CFRP専用の加熱・搬送装置

CFRPをどう接合・成形するか？

熱可塑性CFRPは、熱硬化CFRPとは異なり接着接合には向きません。また、ボルトやリベットなどの機械的な締結は強度低下、重量増や腐食などの問題もあります。そこで、創製加工学研究室では炭素繊維に通電して熱可塑性CFRPを融着接合するという独自の電気式融着接合工法を開発し、特許を出願しました。この方法で融着接合した航空機グレードの高性能な熱可塑性CFRPの接合強度が、欧州のトップ級の性能を上回ることができました。現在はこの新規技術をより広く活用頂くために、CFRPパイプの電気式融着継手や熱可塑性CFRPシートの連続積層成形法など実用化研究につなげています。
また、最近では赤外線加熱や誘導加熱、レーザーによる加熱など多様なエネルギーを用いて熱可塑性CFRPの接合や積層成形を行う手法とその製造装置の開発を行っています。さらに、CFRPと金属など異なる材料との組み合わせ（マルチマテリアルデザイン）に対応した開発にも着手しています。
「実証しなければ絵に描いた餅」「やれること・やりたいことより、求められること・やらなければならないことをやるのが実学」をモットーに、ものづくりの好きな学生と果敢に挑戦しています。

熱可塑性CFRPハイブリッド射出成形の作業風景

最後に残るのは「金型」と「ひと」

デジタル画像計測ロボットによる三次元形状測定

メッセージ

スポットライト -最先端研究一覧