積層とオートクレーブ硬化

しくみ

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   プライを切って積層する。 プリプレグ(部分的に硬化した樹脂をすでに含ませた繊維クロスやテープで、使うまで冷凍保管する)を所定の形に切り、型の上に積み重ねます。各プライの繊維は、設計された方向を向きます。最も大きな航空機部品は、ロボット(自動繊維配置)が積層します。

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   バッグをかけて真空にする。 ピールプライ(あとで引きはがす布)、ブリーザークロス(空気が通るフェルト)、プラスチックのバッグフィルムを上に重ねます。粘着性のシーラントテープで、バッグを型に密着させます。ポンプで空気を吸い出すと、外の空気が積層体を押さえつけ、閉じ込められた空気は抜けていきます。

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   オートクレーブで硬化させる。 オートクレーブが部品を加熱します。温度は通常 120〜180 °C。内部のガスは約 3〜7 bar(通常の気圧の 3〜7 倍)に加圧され、バッグを押しつけます。樹脂は軟らかくなって流れ、繊維になじみ、数時間かけて硬化(架橋して硬い固体に)します。

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   脱型、トリミング、検査。 ゆっくり冷ましたあと、バッグの各層をはがし、部品を型から外します。縁をトリミングし、穴をあけます。重要な部品は超音波でスキャンし、ボイド(閉じ込められた気泡)や、接着していないプライがないかを確かめます。

主なポイント

材料

炭素繊維、ガラス繊維、アラミド(強靭な合成繊維)のプリプレグで、ほとんどがエポキシ樹脂。サンドイッチパネルにはハニカムやフォームのコア

代表的な部品

主翼や尾翼の外板、胴体パネル、ヘリコプターのブレード、F1 のシャシー、人工衛星のパネル

部品サイズ

手のひらサイズのブラケットから、長さ数十メートルの主翼外板まで。オートクレーブの内部寸法が上限

精度

形状は型から通常約 ±0.2〜0.5 mm 以内。1 プライの厚みは約 0.1〜0.3 mm

表面仕上げ

型側はなめらかで光沢のあることが多い(型の写し)。バッグ側はピールプライでわずかに凹凸がつく

向いているロット数

年間 1 個から数千個

金型・設備コスト

型は約 1,000 ドル(小さな部品)から 100 万ドル以上(大型の航空機用)まで。オートクレーブは数十万ドルから数百万ドル

速度

レイアップは 1 個あたり数時間〜数日。硬化 1 サイクルは、昇温と冷却を含めて通常 3〜8 時間ほど

強みと限界

使われる場所

• 航空宇宙主翼や尾翼の外板、胴体パネル、フラップ、ヘリコプターのローターブレード
• 宇宙人工衛星の構造体、アンテナの反射鏡、ロケットのフェアリング
• モータースポーツF1 のシャシー(ドライバーの生存セル)、ウイング、ボディパネル
• スーパーカーカーボンのルーフ、ボンネット、空力パーツ、一部のシャシーのタブ
• 医療X 線撮影台の天板(カーボンは X 線を通す)、義足

見分け方

• 非常になめらかで光沢のあることが多い面(型側)と、ピールプライで模様がつく、わずかに凹凸のある面の 2 つ。
• 外観を重視する部品では、透明な樹脂の下に、カーボンの織りによる市松模様が見える。
• 切断した縁に見える薄い積層、そして硬化後に機械加工された縁や穴。
• 薄い殻やサンドイッチパネル。開いた縁からハニカムが見えることもある。

比較

動画を見る

Autoclave Curing Process - Introduction

PolyU IC · オートクレーブ硬化の基本的な考え方を、ステップごとに

From Layup to Flight-Ready: The Autoclave Process Behind Aerospace Parts

Pressure Equipment Academy · レイアップから硬化した航空機部品までの全工程

Carbon Fiber Prepreg PART MAKING (Tutorial) PART2

Matthieu Libeert (Mat's Prototyping) · プライの積層と真空バッグの作業を間近で

Automated Fiber Placement Machinery by MTorres

Composites Central · 大きな航空機用の型に繊維テープを貼るロボット

実写真を見る

• Wikipedia:Pre-preg — プリプレグ材料、保管、オートクレーブ硬化。写真付き
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