炭素繊維加工：最適な結果を得るためのアプリケーションとヒント

炭素繊維は、高強度、軽量、優れた剛性という優れた組み合わせにより、さまざまな業界で革命的な素材として登場しました。しかし、炭素繊維の加工には、その特性と適切な技術を包括的に理解する必要がある独特の課題があります。

炭素繊維の性質

カーボン ファイバーは、結晶構造で結合した炭素原子の細い糸で構成されています。強度対重量比が非常に高く、多くの場合、鋼鉄よりも数倍も強度があり、しかも大幅に軽量です。このため、航空宇宙、自動車、スポーツ用品など、軽量化が重要な用途に最適です。ただし、脆くもあり、適切に取り扱わないと、機械加工中に層間剥離や繊維の引き抜きが発生しやすくなります。

プロパティ	Rescale データ
密度	1.5～1.95g/cm³
引張強度（汎用）	最大1000MPa
引張強度（高性能・高強度）	2000MPa以上まで
引張強度（超高強度）	4000MPa以上
弾性率（高性能高弾性率）	300GPa以上
弾性率（超高弾性率）	450GPa以上

炭素繊維加工プロセス

炭素繊維の加工プロセスには、炭素繊維材料を成形して仕上げるための複数のステップが含まれます。一般的なプロセスは次のとおりです。

切断

カーボンファイバーの切断は精密な作業です。ダイヤモンドコーティングされたブレードは非常に効果的です。ダイヤモンドコーティングは、カーボンファイバー複合材を切断できる非常に硬い研磨材として機能します。ブレードの鋭さとダイヤモンドの硬さにより、きれいな切断が可能になります。

研磨ウォータージェット切断は、より高度で多用途な技術です。高圧ウォータージェットと研磨粒子の組み合わせにより、カーボンファイバーが侵食されます。ジェットの圧力は、正確な切断を確実にするために慎重に制御されます。この方法は、入り組んだ輪郭に沿うことができるため、複雑な形状を作成するのに最適です。

訓練

カーボン ファイバーへの穴あけは、高速ドリルと複合材料用に設計された特殊なドリル ビットを使用して行われます。高速ドリルは、材料を素早く貫通するために使用されます。高速であることは、穴あけプロセス中にカーボン ファイバーにかかる力を軽減するのに役立ちます。複合材料用に設計された特殊なドリル ビットは不可欠です。これらのビットは、穴をきれいに開けるための尖った先端を備えており、入り口でのファイバーの損傷を防ぎます。ドリル ビットのフルート設計は、チップを効率的に除去するように最適化されています。

フライス加工

フライス加工 カーボンファイバーの表面に複雑な形状や特徴を作成するために使用されます。このプロセスでは、カーボンファイバーをしっかりと固定するために、特殊なフライス加工ツールと固定具を使用する必要があります。カーバイドチップエンドミルが最適な選択肢です。カーバイドチップは硬く、耐摩耗性があり、カーボンファイバーと樹脂マトリックスの摩耗に耐えることができます。フライス加工ツールには、カーボンファイバーの表面を滑らかに切断するために高品質の刃先が必要です。

ターニング

になると 回転 カーボンファイバー部品を丸い形にするには、旋盤が使用されます。カーボンファイバーを保持するには、特殊なチャックが必要です。これらのチャックは、カーボンファイバーのブランクを均等かつ確実に掴むように設計されています。カーボンファイバーのブランクの形状は不規則な場合があるため、チャックはこれに対応でき、確実に保持できる必要があります。

機械加工後の仕上げ

機械加工後、カーボンファイバー部品は 仕上げ作業 必要な表面品質と寸法精度を達成するために、研磨と研削が行われます。バリ、表面の凹凸、工具の跡を取り除くために研磨が行われます。ただし、これらのプロセス中にカーボン ファイバーを損傷しないように注意する必要があります。また、化学エッチングやコーティングを適用して、耐腐食性や接着性などの表面特性を改善し、その後の接着や塗装作業に備えることもできます。

炭素繊維加工のメリットとデメリット

炭素繊維加工の利点と欠点は次のとおりです。

Advantages

• 強度対重量比が高く、金属よりも軽量です。
• 腐食、摩耗、疲労に対する優れた耐久性。
• 熱膨張が少なく寸法安定性に優れています。
• 複雑な形状でも良好な加工性。
• 導電性による適切な電磁シールド。
• 医療用途での高いX線透過性。

デメリット

• 生産コストと材料コストが高い。
• 剥離や工具の摩耗などの機械加工の課題。
• 導電性は絶縁が必要な場合に危険となる可能性があります。
• 損傷した場合、修理が困難で費用もかかります。

炭素繊維加工の用途

カーボンファイバー加工は、さまざまな分野で応用されています。航空宇宙分野では、航空機や宇宙船の部品に使用され、重量を減らし、宇宙環境に耐えます。自動車業界では、高性能車や電気自動車のボディパネルやシャーシに使用して、性能と航続距離を向上させています。テニスラケット、ゴルフクラブ、自転車のフレームなどのスポーツ用品は、その軽量性と強度の恩恵を受けています。医療分野では、カスタマイズ性と生体適合性のため、義肢、インプラント、手術器具に使用されています。産業や建設業界では、機械部品の重量を軽減し、橋や建物などの構造物を強化するのに役立ちます。

カーボンファイバー加工：技術的なヒント

工具の選択とメンテナンス

前述のように、カーボンファイバーの切断にはダイヤモンドコーティングされた工具が強く推奨されます。ダイヤモンドコーティングは優れた硬度と耐摩耗性を提供します。超硬工​​具も使用できますが、切断形状と適切なコーティングを慎重に検討する必要があります。

たとえば、TiAlN コーティングを施した微粒子炭化物は、場合によっては優れた性能を発揮します。刃先の欠けや鈍化などの摩耗の兆候がないか、定期的に工具を点検してください。

切削工具すくい角が小さく、鋭い切れ刃が望ましいです。すくい角が負の場合、繊維が抜ける可能性が低くなります。ドリルビットの場合、先端角は 118 ～ 135 度に最適化する必要があり、溝の設計により効率的な切りくず排出が保証されます。フライス加工に使用するエンドミルは、切削力を最小限に抑え、剥離の傾向を減らす形状にする必要があります。

加工パラメータの最適化

過度の熱発生を避けるため、切断速度は比較的低く保ってください。カーボン ファイバーの切断の一般的な範囲は、毎分 50 ～ 100 メートル程度です。ただし、カーボン ファイバーの特定の素材、ツールの種類、およびマシンの機能に応じて調整する必要がある場合があります。たとえば、高強度カーボン ファイバーにダイヤモンド コーティング ツールを使用する場合は、毎分 50 メートルに近い切断速度の方が適切である可能性があります。

送り速度を高くすると、単位長さあたりの工具が材料と接触する時間が短くなります。カーボン ファイバーの切断では、0.05 歯あたり 0.2 ～ 0.02 ミリメートルの送り速度が一般的です。穴あけ加工では、0.1 回転あたり 0.05 ～ 0.3 ミリメートルの送り速度が考えられます。フライス加工の場合は、XNUMX 歯あたり XNUMX ～ XNUMX ミリメートルの送り速度が適しています。

切削およびフライス加工の場合、通常は 1 パスあたり XNUMX ミリメートル未満の浅い切削深さが推奨されます。穴あけの場合、XNUMX ペックあたりの深さは、ドリル ビットの直径とカーボン ファイバー ラミネートの厚さに応じて調整する必要があります。

ワーク保持と治具

カーボン ファイバーのワークピースをしっかりと均一に支える固定具とクランプ機構を使用します。クランプを締めすぎると、材料が損傷したり変形したりする可能性があるため、締めすぎないようにしてください。真空チャッキングは、特に小型または薄い部品を加工する場合に、平らなカーボン ファイバー シートを保持する効果的な方法でもあります。

炭素繊維積層板に穴を開けたり切断したりする場合は、アルミニウムやフェノール樹脂などの適切な材料で作られたバッキングプレートを使用します。バッキングプレートは、材​​料を下側から支え、剥離のリスクを軽減するのに役立ちます。バッキングプレートの厚さは、適切なサポートを提供するのに十分な厚さでなければならず、通常は約 3 ～ 5 ミリメートルです。

切りくずの排出

クーラントが切削領域に直接供給されるようにしてください。可能であれば、高圧クーラント システムを使用してカーボン ファイバーのチップを洗い流してください。クーラントは熱を放散させるだけでなく、切削領域からチップを運び去って、ツールの詰まりや加工面の傷の発生を防ぎます。

チップコンベアを設置して、加工エリアからチップを連続的に除去します。ろ過システムを使用してカーボンファイバーチップをクーラントから分離し、クーラントをリサイクルできるようにします。

品質管理と検査

定期的に機械加工面を検査し、剥離、繊維の抜け、表面欠陥の兆候がないか確認します。より詳細な検査には、拡大鏡または顕微鏡を使用します。目に見える欠陥はすべて記録し、それに応じて機械加工プロセスを調整する必要があります。

ノギス、マイクロメーターなどの精密測定ツールを使用するか、 座標測定機 (CMM) を使用して、加工部品の寸法をチェックします。部品が指定された許容範囲を満たしていることを確認します。寸法が許容範囲外の場合は、加工パラメータまたはツール パスを調整します。

まとめ

結論として、炭素繊維の加工は複雑ですが、多くの業界で不可欠なプロセスです。炭素繊維の特性を理解し、適切な加工プロセスとパラメータを選択し、関連する課題に対処することで、メーカーは現代のアプリケーションの厳しい要件を満たす高品質の炭素繊維部品を生産できます。

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