炭素繊維チューブ製造工程

炭素繊維チューブは、繊維をさまざまな方向に配向させることができるため、特定の構造要件に合わせることができる。要求される性能に応じて、炭素繊維チューブはロールラッピング、引抜成形、圧縮成形、フィラメントワインディングなどさまざまな工程を経て製造される。各工程はチューブの構造特性に影響を与えます。[1].金属管（等方性）とは異なり、その強度は繊維の配向によって変化するため、製造方法が最終的な特性に直接影響する。以下では、各工程の概要とその意味について説明します。 丸管、角管、伸縮管.

オートクレーブ養生

について オートクレーブ法 は、積層された炭素繊維プリプレグチューブを真空包装し、熱と高圧の下で硬化させるバッチ硬化法である。この方法は通常、次のような要求がある用途に使用される。 最高の品質と精度.オートクレーブサイクルでは、チューブレイアップを保持するマンドレルまたは金型を耐熱性真空バッグに密封し、空気を除去して繊維を圧縮する。[3][4].袋詰めされた部品は、次に加熱された圧力容器（オートクレーブ）に入れられ、正確なスケジュールに従って温度（多くの場合120～180℃）と圧力（例えば0.6～0.7MPa）が制御される。[5].これにより、樹脂が流動し、プライが完全に強化され、空隙のない繊維含有率の高いチューブとなる。[5].

オートクレーブ硬化収率 卓越した機械的特性と表面仕上げ.ファイバー体積を最大化し、ボイドを最小化することができる。均一な圧力により、厳しい寸法公差（多くの場合±0.2mm以内）が達成可能です。[6].実際には、オートクレーブで製造された炭素繊維チューブは、航空宇宙、モータースポーツ、医療機器などの高性能で安全性が重要な部品に使用されることが多い。例えば、オートクレーブで硬化させた炭素繊維の伸縮チューブや精密機器用チューブは、壁がまっすぐで均一で、繊維の分布が優れています。

図：オートクレーブ内の炭素繊維プリプレグチューブ。

オートクレーブ炭素繊維チューブ製造プロセスの利点と欠点

メリット オートクレーブ硬化により、柔軟なレイアップスケジュールと、あらゆるチューブ形状に対応するカスタム繊維配向（0°、90°、±45°など）が可能になります。その結果、以下のような最高品質のチューブが得られます。 最高の強度と剛性非常に滑らかな仕上げ[7][2].また、正確な硬化環境により、厳しい公差やインサートまたはエンドフィッティングのカスタムインテグレーション（レイアップで金属インサートを使用）にも対応します。[6].

制限： 主な欠点はコストと処理能力である。オートクレーブは資本集約的であり、部品は一度に1バッチずつ硬化される。このプロセスは、少量生産または中量生産、あるいは試作品に最も適している。また、オートクレーブ処理には、高価なプリプレグ材料と冷凍庫保管が必要で、プロジェクト・コストを増加させる。

代表的なチューブタイプ オートクレーブ法は次のような点で優れている。 短いチューブまたは複雑な形状 品質が最重要視される航空宇宙用ブーム、高級スポーツ用品（精密スキーポールやリギングなど）、医療用チューブなどの丸管や角管には、オートクレーブ硬化レイアップがよく使用されます。正確な直径と表面仕上げを必要とするテレスコピック・チューブ（入れ子式セクション）にも、オートクレーブ・グレードの一貫性が役立っています。

ロールラッピング

カーボンファイバー ロールラッピング (マンドレルラッピングとも呼ばれる）は、炭素繊維プリプレグシートまたはテープが ラッピング を円筒形のマンドレルに巻き付け、硬化させる。この方法では、プリプレグの層を長さに合わせて切断し、マンドレルにらせん状または円周状に巻き付け、巻き付けパターンによって繊維の角度と肉厚を制御する。[8].ラッピング後、チューブは通常、真空バッグに入れられ、オーブンキュア（オートクレーブキュア）して構造を固める。

ロールラッピング デザインの柔軟性と美的仕上げ.ラッピングは、"可変の肉厚、制御された繊維角度、滑らかな美的仕上げを可能にし、構造的および装飾的用途に理想的です。[8].例えば、特注の丸いカーボン・ファイバー・チューブには、ねじり強度のために±45°のプライを追加したり、ユニークな外観のために特注のカモフラージュ織りを施したりすることができます。ラップの継ぎ目が見えたり、重なったりすることがありますが、注意深くトリミングすることで最小限に抑えることができます。

炭素繊維チューブ製造工程におけるロールラッピングの利点と欠点

メリット このプロセスでは、比較的簡単な工具（適切なマンドレルだけ）が必要で、次のような対応が可能である。 小ロットまたはプロトタイプ 簡単に。エンジニアは1層ずつレイアップを微調整できる。非標準の直径や短納期のカスタマイズにも対応しています。 繊維配向 そして 肉厚 チューブに沿って変化させることができる。オーバーラップや特殊な剥離フィルムは、表面品質を向上させることができる。

代表的なチューブタイプ ロールラッピングは次のような用途によく使われる。 短～中長チューブ は、カスタマイズや外観が重要な用途に適しています。例えば、カスタム・ディスプレイ・フレーム、小型構造ボックス、特注マウント、低容量の角/長方形チューブなどがあります。また、多層チューブの外層 (化粧品や特殊な外部特性用) にも有効です。ロールラッピングは、オートクレーブまたはオーブンキュアと組み合わせることで、圧密性を向上させることができます。

引抜（連続引張）

引抜 は、一定断面の直線状炭素繊維プロファイル（チューブ、ビーム、ロッド）に理想的な連続プロセスです。引抜成形では、連続的な炭素繊維ロービングまたはファブリックを樹脂槽に通し（繊維を湿らせる）、加熱成形ダイに通します。[9].樹脂は金型の中で硬化し、引き抜き機構が固化したプロファイルを連続的に引き出して長さに合わせて切断する。このプロセスは "連続製造 "である。[9]年中無休で稼働している。 長く均一なチューブ 効率的だ。

この方法では、次のようなチューブが得られる。 長さ方向に一貫した寸法と良好なファイバー配列.引抜成形された炭素繊維チューブは通常、非常に直線的で、繊維が主にチューブ軸に平行に配向しているため、軸方向（長さ方向）の強度と剛性に優れている。引抜成形は、"産業用および建設用として、直線的で強度が高く、コスト効率の高い "部品を製造する。[10].例えば、建築用フレームに使用される引抜成形炭素繊維角形チューブは、メートル単位でほぼ同じ肉厚と真直度を持つ。

図：連続複合材プロファイルを製造する引抜ライン（平坦な引抜ストリップを示す）。引抜成形では、適切なダイスを使用することで、丸管や角管も製造できる。

引抜炭素繊維チューブ製造プロセスの利点と欠点

メリット 引抜成形は高度に自動化されており、経済的である。 大量生産.繊維の配置と樹脂の含浸は一貫性があり、繰り返し可能であるため、チューブごとに品質が均一である。出来上がったチューブは、長さ方向に繊維量が多く、寸法安定性に優れています。特に、長くてまっすぐな円筒形や矩形のチューブ（フルーテッド・ポスト、構造用レール、マルチメーター・チューブなど）に効果的です。ダイスからの表面は滑らかなので、仕上げ加工はほとんど必要ありません。

制限： 設計上、引抜成形は断面が一定（不変）で繊維の方向が固定（長さ方向に沿ってほとんどが0°）に制限されています。肉厚を変化させたり、長さの途中で角度のついた繊維補強材を追加したりすることは容易ではありません。複雑な形状やテーパー管は実用的ではありません。このプロセスでは通常、設計の自由度が少ない等方性プロファイルが得られる（例えば、生産を一時停止しない限り、インサートは埋め込めない）。また、引抜ダイスの初期金型にはコストがかかるため、長期の生産に最適です。

代表的なチューブタイプ 引抜成形は次のような用途に最適である。 均一な断面を持つ長い直管.一般的な例としては、カーボンファイバー・ドライブシャフト、パイプ、ガイドレール、フレーム用の角/長方形チューブなどがある。例えば、テレスコピック・チューブ・システムでは、正確な直径制御の利点を活かし、摺動部品に引抜成形セグメントを使用することができます。何十本、何百本もの同じチューブを必要とするプロジェクト（UAVブーム、コンベアレール、工業用サポートなど）でも、引抜成形の効率性と一貫性が役立ちます。[10][9].

圧縮成形

炭素繊維圧縮成形は、プレカットされた炭素繊維プリプレグまたはシート成形コンパウンド（SMC）を加熱された合わせ金型に入れ、加圧下で固めて最終的な部品形状を形成する高圧成形プロセスです。この方法では、必要な厚みと繊維配向に従って材料チャージを金型キャビティ内に注意深く配置し、高温高圧で圧縮して樹脂を硬化させ、緻密で精密な部品を作ります。

成形中、プレスは金型を加熱（通常120～180℃）しながら数メガパスカルの圧力を加え、均一な圧密と最小限のボイドを確保する。硬化後、金型は開かれ、部品は脱型され、トリミングされ、オプションとして耐久性を高めるためにポストキュアやコーティングが施されます。

圧縮成形は、優れた再現性と寸法安定性を提供します。このプロセスは、"一貫した強度、正確な形状、高品質の表面仕上げを実現し、中量から大量の炭素繊維部品に理想的です。"

圧縮成形炭素繊維チューブ製造プロセスの利点と欠点

メリット この製法は、部品の高い均一性、両面の優れた表面仕上げ、および厳密な寸法制御を実現します。密閉型のセットアップにより、空気の巻き込みが最小限に抑えられ、高い繊維体積率が保証されます。繰り返し生産に適しており、自動化により高いスループットを実現します。成形品は、オープンモールド法に比べて優れた機械的強度と耐衝撃性を達成することができます。

制限： 圧縮成形は精密な金属金型を必要とするため、初期コストが高くなる。金型寸法が最大部品サイズを制限するため、非常に長いチューブや大きな構造部分には適さない。レイアップやファイバー角度の調整は、ハンドレイアップやロールラッピングよりも制約が多い。サイクルタイムは金型の加熱・冷却速度に左右され、全体的な生産性に影響する。

代表的なチューブタイプ 圧縮成形は一般的に次のような用途に使用される。 短い高精度カーボン・ファイバー・チューブ, チューブコネクターそして 構造用付属品 強度と一貫性が要求される。また、以下の用途にも使用される。 平面または輪郭部品 パネル、ブラケット、取り付けプレートなど。チューブ製造では、この工程で エンドセグメントまたは接合部品 滑らかな表面、機械的精度、耐久性が重要な場合。圧縮成形は、次のような他の工程を補完することもできます。 ロールラッピング ハイブリッド・アセンブリのための相手部品や補強材を製造することによって。

フィラメントワインディング

カーボンファイバー フィラメントワインディング は、樹脂を含浸させた繊維トウを回転するマンドレルに正確なパターンで巻き付けるプロセスである。特に以下の用途に適している。 円筒管と圧力容器.フィラメントワインディングでは、連続繊維（樹脂で濡れているか、プリプレグを含浸させたもの）は、プログラム可能なマシンヘッドによってマンドレル上に導かれます。[11].巻線パターン（フープ、ヘリカル、ポーラーなど）は、チューブの負荷要件によって決定される。例えば、フープ巻線（繊維が円周方向に巻かれている）は破裂圧力強度を最適化し、ヘリカル巻線は軸方向の剛性を高める。[11].

巻取り後、ウェット層を通常オーブンかオートクレーブで硬化させ、樹脂マトリックスを固める。[12].その後、マンドレルが取り除かれ（多くの場合、マンドレルは折り畳み可能または溶解可能である）、継ぎ目のないチューブが残る。[13].フィラメントワインディングは、次のようなチューブを製造する。 高繊維含有量とオーダーメイドの方向性フィラメントワインディングは、「最大限の強度制御を実現」し、「圧力容器、航空宇宙用チューブ、高応力用途」に適している。フィラメントワインディングは「最大限の強度制御を実現」し、「圧力容器、航空宇宙用チューブ、高応力用途」に好まれる。[14].

フィラメントワインディングの利点と欠点 炭素繊維チューブ製造工程

メリット フィラメントワインディング 非常に高い強度対重量 ファイバー・ボンドに優れたチューブ繊維の張力と巻取り角度はコンピューター制御されているため、工程は一貫してボイドのない含浸を実現します。[15].チューブの長さは、主にマンドレルの取り扱いによって制限されるが、非常に長くすることができる。複雑な巻線パターンを適用できる（戦略的な角度変更を含む）。生産は半自動化されているため、大口径シリンダーの生産はハンドレイアップよりも速い。巻線は、一度セットアップすれば、小ロットにも大ロットにも拡張可能です。

制限： フィラメントワインディング 軸対称（円筒）形状 - 完全な正方形や複雑な形状を巻くのは、マルチピース方式でなければ難しい。長方形のマンドレルに巻くのは複雑で、めったにできない。また、内側の特徴（インサートや接着層など）を巻線中に組み込むのは難しく、ほとんどのインサートは硬化後に追加しなければならない。内面はマンドレルによって規定され、しばしば離型剤を必要とする。また、マンドレルが折り畳み式でない場合、マンドレルを取り外すのは難しい。これらの理由から、フィラメントワインディングは、短いチューブ、テーパーが強いチューブ、円筒形でないチューブにはあまり一般的ではありません。

代表的なチューブタイプ フィラメントワインディング 円形圧力管、ロケットモーターケーシング、円筒形構造部材、油圧シリンダー.例えば、長いカーボン・ファイバー製ドライブ・シャフトや油圧パイプ部分をフィラメントワインディングすることで、均一で高強度のチューブを作ることができます。高級自転車やエンジンのシャフトにも使用されています。写真撮影用やドローン用の軽量円筒形伸縮ポールは、（マンドレルによって内面が形成された）セグメントを巻いてから組み立てることができます。一般に、高い破裂圧力やねじり荷重を必要とする用途（燃料タンク、高圧パイプ、ドライブシャフトなど）には、フィラメントワウンド・チューブが適しています。[14][15].

プロセス比較表

以下は、4つの生産工程を主要な側面から比較したものである：

各工程のバランスは 性能、コスト、柔軟性.例えば、ロールラッピングはカスタムメイドの外観を可能にする。 引抜 ジオメトリーの柔軟性を犠牲にすることで、大量生産時の単価を下げる。[16][9].フィラメントワインディングは、シリンダー内の正確な強度制御が必要な場合に比類のないものとなります。[14]一方、オートクレーブ養生は、精度と繊維の圧密化において比類のないものである。[7][2]そして 圧縮成形 は、金型が設置されると、複雑な形状でも高い生産性を提供します。

チューブタイプ vS.推奨プロセス

適切なプロセスの選択は、チューブの形状や用途によっても異なる：

• 丸（円筒）チューブ： 5つの工程はすべて丸管を製造できる。製造工程 大量 業界標準のチューブでは、引抜成形またはフィラメントワインディングが最適です。以下の場合 特殊な長さまたは仕上げフィラメントワインディング、ロールラッピング、またはオートクレーブレイアップを使用することができます。フィラメントワインディングは圧力シリンダーや耐荷重シリンダーに適しており、引抜成形は長いストレートパイプに適している。
• 正方形/長方形チューブ： これらは多くの場合、引抜成形かハンドレイアップによって製造される。引抜成形では、均一な角管を大量に経済的に製造できる。[17].カスタム形状や統合された機能については、マニュアルレイアップ（金型内でのオートクレーブまたはRTM）またはロールアンドボンド法が使用されます。[18][19].継手を埋め込んだ長方形のチューブは、多くの場合、分割成形や精密なレイアップが必要です。

下の表は、各チューブタイプに最適なプロセスの選択をまとめたものである：

正しいプロセスの選択

クライアントにアドバイスする際、私たちは以下のような要素を評価します。 体積、形状、要求性能、コスト.重要な決定ポイントは以下の通り：

• 生産量： 数百から数千本のチューブ用（工業用）、 引抜 が通常、最も費用対効果の高いルートである。プロトタイピングや小ロット生産に、 オートクレーブ または ロールラッピング 柔軟性がある。フィラメントワインディングは、セットアップコストが中程度で、円筒形部品の中規模生産に適している。圧縮成形は、カスタマイズされたチューブの大量生産に適しています。
• 構造上の要件： 最大限の強度と精度が要求される用途の場合（航空宇宙用シャフトや高圧パイプなど）、 オートクレーブ または フィラメントワインディング が理想的です。特定の荷重ケースに対応するため、ファイバーアングルのカスタムが可能です。[14].一般的な剛性と荷重に対しては、引抜成形が均一な品質を提供する。
• 幾何学と複雑性： 複雑な形状や統合された特徴 オートクレーブ/RTM 金型での成形（端部や継手の成形が可能）または圧縮成形による特注長さの成形[21][22].曲線のない均一な長管は引抜成形に最適です。
• 表面仕上げと公差： 外観上の表面品質（織り模様が見える、光沢のある仕上げ）を重視する場合は、オートクレーブまたは圧縮成形が最良の仕上がりになる。フィラメントワインディングでは、継ぎ目のない滑らかな円筒ができる。ロールラッピングはきれいな仕上がりになりますが、継ぎ目が見えることがあります。
• 重量と素材： どの工程でも金属より軽い部品ができるが、正確な繊維量は様々である。オートクレーブ、圧縮成形、フィラメントワインディングは、圧力硬化により、繊維の割合が高く（軽量化）なることが多い。引抜成形は長さ方向の繊維含有率が高い。

要するにだ、 クライアントの選択を支援する 各プロセスの強みを生かし、プロジェクト・ニーズをマッチングさせることで、各プロジェクトに「技術的要件を評価し、最も効率的な素材の組み合わせを提案する」。[23].

プロセス比較の概要

以下の表は、各プロセスのチューブの主要特性の比較を示している：

これらの基準を用いて 調達チーム トレードオフを考慮することができる。例えば 究極の精度 がプロトタイプ・チューブのバッチに必要な場合は、オートクレーブ養生が正当化される。均一な工業用チューブが大量に必要な場合は、引抜成形がコスト削減につながる。特殊なファイバーレイアップが必要な場合（ファイバーの角度を交互に変えるなど）には、圧縮成形/フィラメント法が適している。

結論

炭素繊維チューブのプロジェクトはすべてユニークです。チューブの形状（円形か角形か）、数量、性能要件を分析し、最適な製造ラインを選択します。 オートクレーブ 少量生産のハイスペック・チューブに最高の品質と柔軟性を提供[7][2]. ロールラッピング カスタムレイアップと小ロットの利便性を提供する[8]. 引抜 比類ない効率と一貫性で、長くまっすぐな走りを実現[10]. フィラメントワインディング 正確なファイバーコントロールにより、極めて強度の高い円筒チューブを製造[14][11], 圧縮成形 最適 中・大量、短尺または一体型複合部品表面精度、スピード、再現性を兼ね備えている。

経験豊富な炭素繊維メーカーとして、Aliznは以下のような深い工程知識を駆使しています。 B2B顧客の意思決定を導く - 調達チームが各炭素繊維チューブ製品に最適な製造方法を選択できるよう支援します。適切な製造工程により、最適なコストとリードタイムで、要求される強度、フィット感、品質基準を満たすチューブが出来上がります。

情報源 炭素繊維チューブ製造に関するAlizn技術資料

[1] [8] [10] [14] [16] [23] 炭素繊維チューブ VS.従来の素材チューブ

[2] [3] [4] [5] [6] [7] 炭素繊維部品製造工程オートクレーブライン

[9] 炭素繊維製品引抜成形ライン

[11] [12] [13] [15] 炭素繊維部品成形工程 フィラメントワインディング生産ライン

[17] [18] [19] [20] [21] [22] 炭素繊維角パイプ製造ガイド

最終的な感想

複合材料の専門家として、私たちは次のようなことに積極的に取り組んでいます。 提供する 重要な支援とともに。今、的確な判断を下すことで、コスト超過や遅延、後々の残念な結果を避けることができる。

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