赤外線加熱による炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の成形

輻射加熱の原理
輻射加熱の原理

1. はじめに

炭素繊維強化プラスチックは航空機に採用され、自動車市場までに拡大してきている。現在は熱硬化性CFRP (CFRTS)が主流であるが、熱可塑性CFRP (CFRTP) も多分野への応用が注目されてきた。両者の成形プロセスは異なるが、どちらも加熱プロセスがあり、品質・生産速度を決める大切な鍵となっている。ヘレウスではCFRPプレプレグ加熱プロセスに赤外線システムを提供しており、欧州を中心に多くの実績を持つ。幾つかの赤外線システムの応用を紹介したい。

2. 輻射加熱の原理と特長

初めに、輻射加熱の原理を簡単に説明する。赤外線は電磁波の一種で、ある波長を持った光エネルギーである。図のように光源から輻射された赤外線光は目的物に照射され、その物質の中でエネルギーが共振吸収される。吸収されたエネルギーは分子(または原子)を振動させ、振動させられた分子間で摩擦熱が発生する。これが赤外線加熱原理である。

光が照射されれば対象物は加熱されるので、前面に透過性の高い耐熱ガラスを配置して、ガラス越しで加熱することも可能である。また、空気により遮断される事が無いので風との共有が可能となってくる。あるいは真空中での加熱にも利用できる。

3. 赤外線ヒーターの種類

工業用に用いられる電気式赤外線ヒーターは、波長範囲で0.8~5μm、温度範囲で400~2,500℃である。日本では古くから遠赤外線と近赤外線という2つの表現が一般的だが、ヘレウスでは自社商品群に合わせてさらに細かく分類している。表1を参考されたい。なお、赤外線の分類方法は業界で統一されておらず、各社が独自の表現をとっていることが多いので注意が必要である。

赤外線ヒーターの種類と性能比較表
表1:赤外線ヒーターの種類と性能比較表
熱硬化性CFRP(CFRTS)での赤外線システムの応用

4. 熱硬化性CFRP(CFRTS)での応用

CFRTSでは赤外線システムが採用される例はそれほど多いとは言えない。CFRTSの熱硬化に用いられるのは、オートクレーブが基本である。成型品に圧力を掛けながら、硬化反応を進めていくにはオートクレーブが最適と言えよう。しかし、赤外線の特長を活かしながら採用している例があるので紹介したい。写真は航空機主翼での採用例である。ここではドレーピング後の加熱に用いられている。特殊シートで覆われているのがお分かりいただけるだろうか。シートを真空にし、対象物を圧縮させながら加熱している。 おそらくは、基材内に残る空気を取り除く役目も兼ねているはずである。ここでは透過力の強い短波長赤外線を採用し、赤外線は透明シートを透過し直接CFRTSを加熱しているのが特徴である。温度均一性を上げるために、 対象物を反復回転させ、さらに複数のゾーンに分け、放射温度計で細かくPID制御を行っている。その他、何点もの 熱電対が見られるが、温度制御とは別に細かく温度測定がされ工程管理データとして記録されているとのことである。

5. 熱可塑性CFRP(CFRTP)への応用

CFRTPには赤外線ヒーターシステムが多様なプロセスで採用されているが、大きく分けるとCFRPプレプレグ製造プロセス(炭素繊維乾燥、繊維開繊、および樹脂含浸)と、成形プロセスの2つに分かれる。今回は成形用予備加熱を取り上げる。

CFRTSと比較すると生産速度で優位なCFRTPは、今後インジェクションとの複合型プレス方式も含め広まっていくものと思われる。そのプレス工程では熱可塑性プレプレグの加熱が不可欠である。実ラインにおけるプレレグのプレス直前加熱に求められるのは、次の点であろう。

  • 急速加熱
  • 省エネ型システム
  • 面内均一温度
  • 表裏温度差(内部との温度差)
  • 過加熱による樹脂表面劣化を防ぐ

カーボンは赤外線の吸収率が高い素材であるので、非常に加熱しやすく、どの赤外線波長であっても加熱効率の大差はない。加熱効率以外のポイントからヒーターを選択すべきと考える。ヘレウスでは多くのCFRP素材で実験してきたが、短波長赤外線ヒーターが最適であると考えている。以下にその理由と赤外線プロセスでの注意点を述べる。

短波長赤外線ヒーター(近赤外線ヒーター)

5.1 動きの速いヒーターが必須

プレス成型はタクトプロセスのため、必然的に加熱プロセスもタクト運転となる。タクト時間はさまざまあるが、1分以内のプロセスが主流である。そうなると、遠赤外線ヒーターや中波長赤外線ヒーターでは立ち上がり速度が遅いために、常時立ち上げた状態でオペレーティングする事になるが、エネルギーの無駄が多い。

また、急速加熱を求める場合には、エネルギー密度が十分ではない。さらに、後に述べるが2段(多段)ステップ運転を採用できなくなる。秒単位で立ち上がるタイプの赤外線ヒーターを採用すべきである。

CFRTP加熱に適した短波長赤外線

5.2 波長は透過性で選ぶ

赤外線ヒーターを選ぶときには吸収率を重視する傾向が強い。しかし、ヘレウスは実験を通して、CFRTP加熱では透過性の大きい短波長赤外線の方が、目的に沿った加熱がしやすいと判断している。ヘレウスは動きの速いヒーターとして、カーボンヒーター(中波長)と短波長ヒーターを持っており、比較実験をしてきた。 どちらも加熱能力・速度には差は見られないが、カーボンヒーターの場合は吸収率が良い為に、表面の熱劣化が早い傾向がある。中波長は含浸樹脂に対しても吸収率が高く、表面樹脂自体も加熱される。それに対し、短波長赤外線は透過力が大きいので樹脂層を透過し、カーボンファイバーに光が届いているのだろうと推測される。 このため、表面樹脂の劣化を防ぐには短波長赤外線の方が有利である。GFRTPでの比較実験では、短波長赤外線が中波長赤外線より加熱効率の点で優れていた。 もし、同プロセスでGFRTPの成型も検討されている場合は、短波長赤外線が断然有利と言える。

CFRTP加熱に適した短波長赤外線

5.3 風を利用する、排気は必須

プレプレグ加熱で要望される温度まで加熱すると、 機材から蒸発分(煙)が多く発生する。急速加熱をすれば一 気に発生するために、その発煙量は強く感じるはずである。この煙処理として、実機ラインでは排気が重要なポイントとなる。熱損失ばかりを気にして密閉型の加熱プロセスにすると大きな失敗となる。写真をご覧頂きたい。短波長赤外線ヒーターを用いた片側加熱のシステムであるが、側面に排気ダクトが設置されている事が分かる。ヘレウスでは吸気型の空冷式モジュールを採用している。反射板側から赤外線ヒーターに向けて風を送り出すことにより、適正なシステムの冷却と煙処理を施し、安全でクリーンなシステム設計を実現している。もちろん、 その冷却風に見合った 排気をしなければ工場内に熱と煙をバラまいてしまう事になる。これからの設備は作業環境にも考慮した設計が 求められるべきであろう。

赤外線による急速加熱

5.4 両面加熱とステップ加熱

急速加熱をすれば、表裏の温度差が大きくなる。厚み方向の温度差を小さくするためには、両面加熱は有効な手段である。一般に2mmを越える厚みの場合、両面加熱をお勧めしている。またステップ加熱も重要となる。 表面(照射面)を耐熱温度近くまで急速加熱し、表面が過加熱にならないように照射エネルギーを下げたステップ運転を組むのがポイントである。通常は2ステップで良いと思うが、多段ステップを採用されるケースもある。

プレス成形にてきした赤外線ヒーターユニット

5.5 面内均熱について

プレス成形には、プレプレグの均一温度が求められる。どの程度の温度差が許容されるのかは材料や目的成形 レベルによって違ってくる。均一加熱で重要なポイントは、「プロセス内の換気」と照射分布を考慮した「ヒーター配置」である。

排気の重要性は先に述べているが、プロセス内の換気は均熱性についても影響してくる。特に、大きなサイズになってくると、中央部分に熱い空気が溜まり、反対に端は外気が入り込んでくる傾向があるので、加熱ゾーン内の空気温度差が大きくなってくる。均一加熱を重視するのであれば、余った熱を取り除く排気プロセスをキチンと 考えるべきである。ヒーター配置も重要である。均等ピッチで赤外線ヒーターを配置すると、理論的に中央部の照射エネルギーが高くなる。並行照射型の反射板を採用したとしても、この傾向は同じである。ヘレウスでは照射分布シミュレーションにより、偏ピッチ方式を採用して均一加熱をサポートしている。両面加熱であれば、上下モジュールでヒーターを千鳥配列を利用すれば、更に均一性が上がってくる。詳しくは当社までご相談ください。

6. まとめ

自動車分野での検討が進む中、新しいCFRPの素材が開発され、スプリングバックする素材など加熱プロセスに課せられる要望はさらに高くなっていくと考えている。ヘレウスではユーザーの要望に合わせ加熱ソリューションを提供していく。

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