真空樹脂導入工程と手糊工程の比較

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真空樹脂導入工程と手糊工程の比較　両者の長所と短所を以下に示す：手糊工程（Hand lay-up）は金型を使用する工程で、現在、ガラス繊維強化ポリエステル複合材料において65％を占めている。その利点は、金型の形状変更において大きな自由度があること、金型の価格が安いこと、適応性が高いこと、製品性能が市場で認められていること、投資額が少ないことなどです。そのため、中小企業に特に適しており、船舶や航空宇宙産業にも適しています。ここでは通常、一度に大きな部品が扱われます。しかし、この工程には、揮発性有機化合物（VOC）の排出量が基準を超える、作業員の健康に悪影響を与える、人材の流出が起きやすい、使用できる材料が限られている、製品の性能が低い、樹脂が無駄になり使用量が多いといった一連の問題がある。特に製品の品質が不安定で、製品内のガラス繊維と樹脂の比率、部品の厚さ、層状材料の製造速度、層状材料の均一性などはすべて作業員の影響を受けるため、作業員には高い技術力、経験、資質が求められる。手糊製品の樹脂含有量は、一般的に50％～70％程度です。金型成形工程のVOC排出量は500PPmを超え、スチレンの揮発量は使用量の35％～45％にも上る。各国の規定はいずれも50～100PPmです。現在、海外ではほとんどがシクロペンタジエニル（DCPD）やその他のスチレン放出量の少ない樹脂に切り替えているが、モノマーとしてのスチレンにはまだ優れた代替品がない。 真空樹脂注入工程は、過去20年間に発展した低コストの製造工程で、特に大型製品の製造に適しています。その利点は以下の通りです：(1)製品性能が優れ、完成率が高い。同じ原材料を使用した場合、手作業で成形する部品と比べて、真空樹脂注入法によって成形される部品の強度や剛性、その他の物理的特性は30％～50％以上向上する（表1）。工程が安定すれば、完成品率は100％に近づきます。 表1 典型的なポリエステル系グラスファイバー製品の性能比較
強化材：ノットレスコース布、二方向から引き抜かれた織物、ノットレスコース布、二方向から引き抜かれた織物
成形工程：手作業による含浸、手作業による含浸、真空下での樹脂拡散、真空下での樹脂拡散
ガラス繊維含有率：45、50、60、65
引張強度（MPa）：273.2、389、383.5、480
引張弾性率（GPa）：13.5、18.5、17.9、21.9
圧縮強度（MPa）：200.4、247、215.2、258
圧縮弾性率（GPa）：13.4、21.3、15.6、23.6
曲げ強度（MPa）：230.3、321、325.7、385
曲げ弾性率（GPa）：13.4、17、16.1、18.5
層間せん断強度（MPa）：20、30.7、35、37.8
縦横せん断強度（MPa）：48.88、52.17
縦横せん断弾性率（GPa）：1.62、1.84
(2) 製品の品質が安定しており、再現性に優れている。製品品質は作業員の影響をほとんど受けず、同一部品であれ部品間であれ、高い一致性が保たれている。製品の繊維量は、樹脂を注入する前に規定された量が金型内に入れられており、部品の樹脂含有率は比較的一定で、一般的に30％～45％である。そのため、製品の性能の均一性や再現性は手作業による成形品よりもはるかに優れており、欠陥もはるかに少ない。 (3)疲労耐性が向上し、構造の重量を軽減できる。製品の繊維含有量が高く、気孔率が低く、製品性能が優れており、特に層間強度が向上したことで、**製品の疲労耐性が高まった。強度や剛性の要求が同じである場合、真空導入工程を用いて製造された製品は構造の重量を軽減できる。 (4)環境に優しい。真空樹脂導入工程は密閉型の工程であり、揮発性有機化合物や有害な大気汚染物質はすべて真空バッグ内に封じ込められます。真空ポンプの排気時（フィルター付き）および樹脂タンクを開けたときのみ、わずかな揮発性物質が発生する。VOC排出量は5PPmを超えない基準です。これにより**作業員の労働環境が改善され、労働力の確保も図られ、使用可能な材料の範囲も拡大しました。 (5)製品の全体性が高い。真空樹脂注入工程により、補強リブ、サンドイッチ構造、その他のインサートを同時に成形でき、製品の一体性が向上するため、ファンカバーや船体、上部構造物などの大型製品を製造することが可能です。 (6)原材料の使用を削減し、労働力を減らす。同じ積層の場合、樹脂の使用量が30％減少する。無駄が少なく、樹脂の損失率は5％未満です。労働生産性が高く、手作業の工程と比べて労働力を50％以上節約できる。特に、大型で複雑な幾何形状のサンドイッチ構造や補強構造部品を成形する際には、材料と労力の節約がより大きくなります。航空機産業における垂直尾翼の製造では、締結部品を365個減らすことで、従来の方法と比べてコストが75％削減され、製品の重量は変わらずに性能が向上します。 （7）製品の精度が高い。真空樹脂注入工法の製品は、手糊製品よりも寸法精度（厚さ）が優れている。同じ積層条件の下では、一般的な真空樹脂拡散技術による製品の厚さは、手糊製品の2/3程度となる。製品の厚さのばらつきは約±10％であり、手糊工程では一般的に±20％です。製品表面の平滑性は手糊製品よりも優れている。真空樹脂注入工程によるカバープロダクトの内壁は滑らかで、表面に自然と樹脂層が形成されるため、別途トップコートを塗布する必要はありません。研磨や塗装工程の人件費と材料が削減されました。 もちろん、現在の真空樹脂注入工程にもいくつかの欠点があります。（1）準備工程に時間がかかり、かつ複雑です。正しい積層、誘導媒体の敷設、誘導管、効果的な真空シールなどが必要である。したがって、小型製品の場合、その工程時間は手糊工程を上回ってしまう。 （2）生産コストが高く、多くの廃棄物が発生する。真空バッグフィルム、誘導媒体、離型布、誘導管などの補助材料はすべて使い捨てであり、現在多くが輸入に頼っているため、手糊工程よりも生産コストが高くなっている。しかし、製品が大きくなるほど、この差は小さくなる。補助材料の国産化に伴い、このコスト差もますます小さくなっている。現在の研究において、繰り返し使用可能な補助材料は、この工程の発展方向の一つである。 （3）製造工程には一定のリスクがある。特に大型で複雑な構造の製品は、樹脂注入に失敗すると製品が廃棄されやすくなります。 したがって、プロセスの成功を確実にするためには、十分な事前研究、厳格な工程管理、そして効果的な対策が必要である。 2 真空樹脂導入工程における原材料の要求 真空導入工程で製造されるキャビンカバーに使用される樹脂に求められる条件は：（I）低粘度。一般的には100～400mPa・s程度です。できれば200mPa・sを超えないこと；(2)適切な放熱ピーク温度で、一般的には80を超えないこと℃；(3)使用温度が60℃に達するまで、グラスファイバー層材は依然として適切な強度を保持する；(4)長期にわたり湿度の高い環境（相対湿度95%）下でも、選択したガラス布と非常に高い接着強度を維持する：(5)常温で硬化可能；(6) 工程を完了させ、最終的に完全に硬化させるのに十分な長さのゲル化時間がある；(7)気候耐性に優れる；（8）耐油脂性に優れる；(9) 阻燃性に優れる；（10）価格が安い；（11）硬化収縮率が低いなど。 樹脂系の各成分、すなわち樹脂、硬化剤、促進剤、重合阻止剤、着色剤、充填剤などについては、工程の信頼性を確保するために、それぞれの樹脂の流動性、粘度、および硬化反応の動力学に関する研究を行う必要がある（図3）。その研究手法には、DSC、DTA、動的粘度計などがある。 一般的に、ショートチップファイバー、長繊維ファイバー、撚りのない太糸織物（格子布）、撚りをかけた織物、縫い合わせ織物、およびサンドイッチ材（発泡体、軽木、ハニカム）など、さまざまな形態の強化材料が使用でき、使用される織物の面密度は最大で87kg/m2に達する。しかし、異なる織物が真空導入工程に与える影響は非常に大きいため、浸透率が高く樹脂への浸透性に優れた織物をできるだけ使用する必要がある。 コア材を使用する場合は、GPSコア材を使用する必要があります。 3 真空樹脂導入工程の研究。 3.1 樹脂の流動性に関する研究 真空樹脂注入工程においては、樹脂がプリフォーム内を流れる過程を記述するために、主にダルシーの法則（Darcy's Law）（式（l））が用いられる。 ここで、u：樹脂の流動速度、K：プリフォームの浸透率、u：樹脂の粘度、△P/△x：圧力勾配である。ダルシーの法則において、樹脂は圧縮不可能であり、せん断速度の影響を受けないニュートン流体と見なされる。実験では、樹脂の代わりにシロップやグリセリン、セルロース水溶液などの他の液体を使用することもでき、これにより**実験コストを削減し、試験の速度を向上させることができる。織物プリフォームは多孔質媒体と見なされ、その特性は空隙率や透過率によって表される。これらの特性は、プリフォーム内での樹脂の流れの方向や速度に影響を与えるため、複合材料の成形時に必要となる真空圧力、流動（充填）時間、流動経路といった重要なパラメータを決定する。そしてそれによって、樹脂がゲル化する前に充填工程を完了させるための、樹脂の入口、出口、流路といった重要な構造の設計にも影響を与える。 樹脂の流動は2つのタイプに分けられる：(図3) 圧力勾配によって決まる浸透またはマクロな流動（糸束間）の流速。（マクロスケールの流れ）。 繊維の毛細管圧力と表面張力によって決まる、浸透または微視的な流動（糸束内）の流速。（微視的な流れ）流速や流路に影響を与える要因には、原材料、誘導媒体、積層方法、真空度などがある。2つの速度は同等でなければならず、流動の前端が一度合流すると、包まれたガスを排出するのが非常に困難になる。微視的なレベルでガスを排出する際には、樹脂の粘度や繊維束周囲の表面張力の影響を受ける。 研究によると、高浸透率のガイド媒体を使用することで**充填時間が短縮され、樹脂はガイド媒体内を予製品内よりも速く流動する**が、両者の差は一定の値を保ち、充填時間はガイド媒体の浸透率のみの関数であり、予製品の浸透率の影響はほとんど受けない。誘導媒体の使用により、充填時間が50～80％短縮されます。 工程においては、不適切な積層などによって引き起こされる「カットライン効果」を防ぐ必要があります。これらの低抵抗領域では樹脂の流動速度が10〜100倍に増加し、その結果、工程が想定通りに進行しなくなります。 現在、真空注入工程における流動過程をシミュレーションできるソフトウェアが多数存在し、樹脂の流動先端の位置やパターンを把握することで、工程上の潜在的な問題を事前に発見し、工程を最適化することができる。 3. 2プレキャスト部品の圧縮挙動に関する研究 真空導入工程においては、最終製品の厚さと繊維含有量も把握しておく必要がある。真空バッグは柔軟性があるため、製品の厚さを直接制御することはできず、製品の厚さは繊維含有量やプリフォームの圧縮挙動に関連しており、これには圧力下での繊維の圧縮・緩和挙動や、繊維と樹脂間の相互作用も含まれる。 試験の結果、製品の厚さは樹脂の流れる方向によって変化し、真空源から遠くなるほど樹脂含有量が高くなり、それに伴って繊維含有量が低くなる（製品が厚くなる）。VARIM工程においてプリフォームが受ける外部圧力は大気圧（Patm）であり、この圧力は樹脂圧力（Pr）と繊維構造による支持力（Pf）（式2）によって構成される。 Patm=Pr+Pf (2) 入口部における樹脂の圧力は1気圧であり、その流動前端の圧力はゼロである。樹脂の圧力は出口部から入口部に向かって、ゼロから1気圧までの分布を示し、出口部から離れるほど樹脂の圧力は高くなり、それに応じてプリフォームが受ける圧力は小さくなり、繊維の圧縮も小さくなり、厚みも大きくなる（図4）。樹脂が出口に到達したら、樹脂の入口を閉じ、一方で真空出口は維持し続けることで、樹脂の圧力を安定して低下させ、それによってプリフォームをさらに圧縮し、厚みの不均一さを緩和することができる。