レジン トランスファー モールディング (RTM) と高圧レジン トランスファー モールディング (HP-RTM) は、同じ基本概念 (乾燥したファイバー プリフォームを含む密閉型に液体樹脂を射出する) を共有する 2 つの液体複合成形プロセスですが、射出圧力、サイクル タイム、ファイバー体積分率能力、および必要なプレス装置が大きく異なります。炭素繊維複合材部品が航空宇宙のみの用途から自動車構造部品にまで拡大するにつれ、RTM と HP-RTM のどちらを選択するかは、複合材製造ラインへの投資において最も重要な技術的意思決定の 1 つとなります。
どうやって RTM 作品
標準的な RTM では、乾燥した繊維プリフォーム (通常、部品の形状に合わせて切断および成形された、織物、編組、またはノンクリンプ生地 (NCF) のカーボンまたはガラス繊維) を、対応する金属ツール (金型の上部と下部の半分) に配置します。金型が閉じてクランプされ、液体樹脂 (通常はエポキシ、ビニル エステル、またはポリエステル) が 1 つまたは複数の射出ポートから低圧 (通常は 1 ～ 10 bar) で射出されます。樹脂はファイバープリフォームを通って流れ、金型が充填されるまで、金型の反対側にある通気口から空気を追い出します。その後、樹脂は、一部のシステムでは室温で、より硬化が早いエポキシ システムでは高温 (60 ～ 120 °C) で硬化し、完全に硬化した後に部品が型から取り出されます。
標準 RTM は、航空宇宙、海洋、風力エネルギーの用途において長い歴史を持つ確立されたプロセスです。射出圧力が低いため、機械加工されたアルミニウムやスチールではなく強化複合金型など、比較的低コストの金型の使用が可能になり、このプロセスは他の成形プロセスでは充填が難しい複雑な 3D 形状にも適応できます。主な制限はサイクル タイムです。射出圧力が低い場合、ファイバー プリフォームを通る樹脂の流れが遅く、低温での標準エポキシ システムの硬化時間は長くなります。標準 RTM では、部品ごとの合計サイクル タイムが 30 ～ 90 分になるのが一般的です。
どうやって HP-RTM Works
HP-RTM は、標準 RTM と同じ基本概念 (閉じた適合金型内の乾燥プリフォーム、液体樹脂射出) を使用しますが、標準 RTM の 1 ～ 10 bar と比較して、劇的に高い射出圧力 (30 ～ 120 bar) で動作します。このより高い射出圧力は、2 成分反応性樹脂を正確に制御された混合比で金型キャビティに直接供給する高圧混合射出システム (通常、ポリウレタン RIM 加工で使用されるものと同様の高圧インピンジメント ミキシング ヘッド) によって実現されます。
HP-RTM における高い射出圧力は、プロセスに 2 つの重要な影響を及ぼします。まず、繊維プリフォームを通る樹脂の流れが劇的に加速され、繊維体積分率が高い大型で複雑な部品であっても、標準的な RTM では 5 ～ 30 分かかるのではなく、10 ～ 60 秒で金型への完全な充填が可能になります。第 2 に、標準的な RTM の遅い充填速度では使用できない、高速反応樹脂システム (ポットライフ 60 ～ 120 秒の変性エポキシ) の使用が可能になります。これらの高速樹脂システムは、金型温度 80 ～ 120°C で 2 ～ 5 分で完全に硬化するため、構造用カーボンファイバー コンポーネントの部品あたりの合計サイクル タイムを 3 ～ 8 分にすることができます。
RTM と HP-RTM: 直接比較
| 特徴 | 標準RTM | HP-RTM |
|---|---|---|
| 射出圧力 | 1～10バール | 30～120バール |
| 樹脂混合 | 外部容器内で事前に混合および脱気 | インジェクションヘッドでの高圧インピンジメントミキシング |
| 樹脂のポットライフ要件 | 数分から数時間 — 標準エポキシと互換性あり | 60 ～ 120 秒 — 反応性の高い樹脂配合が必要 |
| 金型の充填時間 | 一般的な部品の場合は 5 ～ 30 分 | 同等の部品の場合は 10 ～ 60 秒 |
| 温度での硬化時間 | 通常 30 ～ 90 分 | 80 ～ 120°C の速硬化エポキシで 2 ～ 5 分 |
| 合計サイクル時間 | 30～120分 | 3～10分 |
| 繊維体積分率 (Vf) | 45 ～ 60% の Vf を達成可能 | 最適化されたプリフォームと射出により 55 ～ 65% の Vf を達成可能 |
| 無効なコンテンツ | 通常 1 ～ 3% — 真空補助は 1% 未満に減少します | 制御された射出および金型設計により 0.5% 未満を達成可能 |
| 工具圧力要件 | 低 — 複合材または低コストのアルミニウム工具が実用的です | 高 — 射出圧力の抑制に鋼製ツールが必要 |
| プレス要件 | 低トン数の型締プレス — 通常 100 ～ 500 トン | 高トン数サーボプレス — 部品面積に応じて 500 ～ 3,000 トン |
| 表面品質 | 良好 — 両面が金型表面に接している | 優れた — 両面、空隙率が低く、表面の一貫性が優れている |
| パーツの複雑さ | 高 - 複雑な 3D は低いフィル レートでも良好にパフォーマンスします | 中程度 - 充填率が高いと、複雑なプリフォームを均一に湿らせることが困難になります |
| 自動化レベル | 半自動から手動まで | 高度に自動化 — ハンドリング、射出、型抜きをロボット化して実行 |
| 年間ボリュームの適合性 | 100 ～ 10,000 部品/年 | 5,000 ～ 100,000 部品/年 |
| 設備投資 | 中程度 - プレス射出装置のツーリング | 高 — サーボ プレス HP ミキシング システム オートメーション スチール ツール |
| 代表的な用途 | 航空宇宙構造物、モータースポーツ、海洋、風力エネルギー | 自動車構造部品、Bピラー、ルーフパネル、床構造 |
HP-RTM のプレス: 標準の複合プレスと異なる理由
HP-RTM プレスは単なるクランプ機構ではなく、射出および硬化サイクル全体にわたってアクティブなプロセスに関与します。プレスは、標準的な複合プレスが設計されていないいくつかの機能を同時に提供する必要があります。
射出圧力下での高い型締力
100 bar の射出圧力では、1 m² の成形品にかかる金型分離力は 1,000 kN (100 トン) です。投影面積が 2 ～ 3 m² の自動車規模の構造部品の場合、射出圧力だけで 2,000 ～ 3,000 kN の型を開ける力が発生します。プレスのクランプ力は射出段階全体を通じてこれを超える必要があり、同時に金型のパーティング ラインが開いて樹脂がバリを起こさないように正確なプラテンの平行度を維持する必要があります。自動車生産における HP-RTM プレスは通常、1,000 ～ 3,000 トンの型締能力で仕様化されています。
注射中の制御された呼吸
HP-RTM プレス制御の重要な機能は「呼吸」です。これは、樹脂の射出開始時に金型の開きを 10 分の数ミリメートルだけ制御し、金型が充填されると完全なクランプまで閉じるというプログラム制御です。この制御された開口部により、パーティング ラインに瞬間的なギャップが生じ、樹脂が前進する前に空気が逃げることができるため、完成品のボイド含有量が大幅に減少します。呼吸シーケンスには、±0.05mm の位置精度でサーボ制御されたプレス動作が必要ですが、従来の油圧プレス制御システムでは達成できません。
熱管理の統合
高速硬化樹脂システムを活性化するには、HP-RTM の金型温度を生産サイクル全体を通じて 80 ～ 120°C に正確に維持する必要があります。プレス プラテンの加熱回路は、緊密な接触を通じて熱エネルギーをスチール金型に供給します。プラテンと金型の間の熱抵抗により、温度の均一性が低下し、部品全体の硬化速度にばらつきが生じます。 HP-RTM プレスは、熱接触を最大化する直接金型取り付けインターフェイスと、サイクル間の熱損失にもかかわらず目標温度を維持するのに十分な加熱システム容量を備えて設計されています。
インジェクションシステムとの統合
高圧混合ヘッドは、金型のポートを通じて 30 ～ 120 バールの 2 成分樹脂を供給します。このヘッドは、プレスが閉じるときに射出ヘッドが金型の射出ポートに係合し、プレスが離型のために開く前に後退できるような方法で、プレスと物理的に統合されている必要があります。この統合には、射出シーケンスをプレスの動作および位置と同期させるために、プレス射出システム インターフェイスのカスタム エンジニアリングと、プレス制御システムと射出ユニット コントローラ間の通信が必要です。
RTM を選択する場合と HP-RTM を選択する場合
次の場合に RTM を選択します。
生産量は年間約 5,000 個未満の部品です。この量では、HP-RTM オートメーションおよびサーボ プレス機器の資本コストをコスト競争力を維持するのに十分な部品で償却することができません。部品の形状は 3 次元で非常に複雑です。樹脂が緻密な繊維構造を通って長距離を流動する必要がある不規則な形状では、事前混合樹脂を使用した標準 RTM で利用可能なより長い充填時間の恩恵を受けます。用途は航空宇宙、モータースポーツ、海洋などであり、最大の繊維体積分率や構造性能よりもサイクル時間が重要視されます。
次の場合に HP-RTM を選択してください。
生産量は年間 5,000 個を超え、サイクル タイムは生産ラインのスループットに直接影響します。用途は自動車構造物 (B ピラー、ルーフ パネル、ドア構造物、サブフレーム コンポーネント) で、自動車組立ラインのタクト タイムとの統合には 3 ～ 8 分のサイクル タイムが必要です。両方の金型面の表面品質要件は厳しいものです。最小重量での構造性能には、55 ～ 65% のカーボンファイバー体積率が必要です。このプログラムは、鋼製工具、サーボ プレス、自動プリフォームおよび部品処理システムへの投資を正当化します。
よくある質問
HP-RTM ではどのような樹脂システムが使用されていますか?
HP-RTM は 2 成分反応性樹脂システムを使用します。最も一般的なエポキシ システムは、低粘度 (高圧下で緻密な繊維プリフォームを通って流れるため)、速い反応性 (80 ～ 120 °C で 2 ～ 5 分で完全に硬化する)、およびミキシング ヘッドでの十分なポット ライフ (ゲル化する前に注入が完了するまで 60 ～ 120 秒) を目的に特別に配合されています。ポットライフが 30 分の標準的な航空宇宙用エポキシは HP-RTM と互換性がありません。金型温度が高くてもプロセス サイクル タイム内に硬化が完了しません。 Huntsman、Hexion、Olin などのサプライヤーが提供する特殊高速硬化エポキシ システムは、自動車用 HP-RTM 生産の標準的な選択肢です。ポリウレタン マトリックス複合材料は、エポキシよりも優れた靭性と耐衝撃性が必要な用途向けに、HP-RTM (HP-PURIM と呼ばれることも多い) によっても加工されます。
HP-RTM は炭素繊維織物を加工できますか?
はい — HP-RTM は、織布、ノンクリンプ布 (NCF)、チョップドファイバーマット、またはこれらの組み合わせを、特定の部品の構造要件に合わせて設計されたプリフォームスタックで処理します。織布は最も制御された繊維構造を提供しますが、NCF よりも高圧射出中の繊維の歪みの影響を受けやすくなります。 NCF (0°/90° または多軸レイアップ) は、面内特性の均一性が向上し、流れによる繊維の動きの影響を受けにくくなります。チョップドファイバーマット層は、樹脂を豊富に含む表面層を提供することで厚さ全体の補強を提供し、表面品質を向上させるために、HP-RTM プリフォームに含まれることがあります。プリフォームの設計 (繊維構造、層順序、プリフォームの透過性) は、HP-RTM 部品開発において最も重要なエンジニアリング作業の 1 つであり、完成部品の充填挙動、空隙率、および機械的性能を直接決定します。
どうやって does HP-RTM compare to prepreg autoclave processing for carbon fiber structural parts?
プリプレグのオートクレーブ処理では、炭素繊維プロセスの中で最高の繊維体積分率 (60 ～ 70% Vf) と最高の機械的特性が得られますが、バッチあたり 1 ～ 4 時間のオートクレーブ硬化時間と専用のオートクレーブ インフラストラクチャが必要です。 HP-RTM は、部品あたり 3 ～ 10 分のサイクル タイムで 55 ～ 65% の Vf を達成し、部品レートに関して射出成形と競合し、オートクレーブ装置を必要としません。航空宇宙の一次構造では、生産速度に関係なく最大のパフォーマンスが設計の原動力となるため、プリプレグオートクレーブが依然として標準です。年間 50,000 個の生産量と 3 ～ 8 分のサイクル タイムが必要な自動車構造部品の場合、HP-RTM は生産速度要件を満たす唯一の CFRP プロセスです。高速硬化樹脂システムが改善され、性能技術が進歩するにつれて、HP-RTM とオートクレーブ プリプレグの間の機械的性能の差は狭まってきました。
HP-RTM 印刷機への投資を正当化できる年間生産量はどれくらいですか?
HP-RTM と標準 RTM の損益分岐点数量は、特定の部品、工具コスト、現地の人件費によって異なりますが、自動車プログラムの一般的なガイドラインは、HP-RTM の部品あたりの高い資本コストが、大規模な場合の部品あたりのサイクル タイムと運用コストの低下によって相殺される最小数量として、年間約 3,000 ～ 8,000 個の部品です。この容量以下では、通常、複合ツールを備えた標準 RTM または真空補助 RTM (VARTM) の方が経済的です。年間 20,000 個以上の部品を扱う HP-RTM は、完全なプレスとハンドリングの自動化を備えており、構造用 CFRP 自動車生産においてコスト効率の高い有力なオプションです。
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