カーボンファイバー製品において、カーボンファイバー柄の製品を見たときに人々が最初に感じるのは、「カッコいい」「ファッション性とテクノロジー感」です。 今日は、さまざまな炭素繊維パターンを使用して炭素繊維製品を製造する方法を見ていきます。
まず第一に、炭素繊維は個別に製造されるのではなく、束として製造されることがわかっています。 各束のカーボンファイバーの数は多少異なる場合がありますが、一般的には 1000、3000、6000、12000 に分類でき、これは 1k、3k、6k、12k というよく知られた概念です。
カーボンファイバーは織られた形で提供されることが多いため、取り扱いが容易になり、用途に応じて強度を高めることができます。 その結果、カーボンファイバーファブリックにはいくつかの織りタイプが使用されています。 最も一般的なのは平織り、綾織り、サテン織りです。詳しくは別途説明します。
平織り炭素繊維
平織りのカーボンファイバーパネルは対称的で、小さな市松模様のような外観を持っています。 このタイプの織り方では、フィラメントが高低パターンで織り込まれます。 中心フィラメント列間の距離が小さいため、平織りに高度な安定性が与えられます。 織りの安定性とは、生地が横糸の角度と繊維の方向を維持する能力です。 平織りは安定性が高いため、複雑な輪郭を持つ積層にはあまり適しておらず、他の織りタイプほど柔軟性もありません。 一般に、平織りはフラット パネル、チューブ、および湾曲した 2D 構造の外観に適しています。
このタイプの織り方の欠点は、織り交ぜ間の距離 (織りの間に繊維によって形成される角度、以下を参照) が小さいため、フィラメント束の曲率が強いことです。 この曲率により応力集中が生じ、時間の経過とともに部品が弱化します。
綾織りカーボンファイバー
ツイルは、後で説明する平織りとサテンの中間の織りです。 ツイルは柔軟性に優れ、複雑な輪郭に成形することができ、サテン織りよりも織りの安定性を維持しますが、平織りほどではありません。 ツイル織りでは、フィラメントの束をたどると、一定の数のフィラメントを上に進み、次に同じ数のフィラメントを下に進みます。 上下の模様により「ツイルライン」と呼ばれる斜めの矢印のような模様が生まれます。 平織りと比較して綾織りの間隔が広いため、ループが少なくなり、応力集中のリスクが少なくなります。
ツイル 2x2 はおそらく業界で最もよく知られたカーボンファイバー織りです。 多くの化粧品や装飾用途に使用されていますが、機能性にも優れており、適度な柔軟性と適度な強度を備えています。 2x2 という名前が示すように、各フィラメントの束は 2 つのストランドを通過し、その後 2 つのストランドを通って戻ります。 同様に、4x4 ツイルは 4 本のフィラメントの束を通過し、次に 4 本のフィラメントの束を通って戻ります。 織りの密度は低いですが、安定性も低いため、成形性は 2x2 ツイルよりわずかに優れています。
サテン織り
サテン織りには長い歴史があり、初期には滑らかで継ぎ目のない、優れたドレープ性を備えたシルク生地を作るために使用されていました。 複合材料の場合、このドレープ機能により、複雑な輪郭を簡単に成形して包み込むことができます。 生地の形が作りやすいということは、生地の安定性が低いことを意味します。 一般的なハーネス サテンの織り方は、4 ハーネス サテン (4HS)、5 ハーネス サテン (5HS)、8 ハーネス サテン (8HS) です。 サテン織りの数が増えると、成形性が向上しますが、生地の安定性は低下します。
ハーネスサテン名の数字はハーネスの上下の合計数を表します。 4HS では、上に 3 つ以上、下に 1 つ以上のハーネスがあります。 5HS では、4 つ以上のストランドが上にあり、次に 1 つのストランドが下にあります。一方、8HS では、7 つのストランドが上にあり、その後 1 つのストランドが下にあります。
拡張幅フィラメント バンドルと標準フィラメント バンドル
一方向織物の炭素繊維は曲がった状態がなく、力によく耐えます。 織布フィラメントの束は直角方向に上下に曲げる必要があり、強度損失が大きくなる可能性があります。 そのため、繊維束を上下に織り込んで生地を形成すると、束のカールにより強度が低下します。 標準フィラメント束のフィラメント数を 3k から 6k に増やすと、フィラメント束が大きく（太くなり）、曲げ角度が大きくなります。 これを回避する 1 つの方法は、フィラメントを広げてより広い束にすることです。これはフィラメントの束を広げると呼ばれ、布地を作ります。これはスプレッド生地とも呼ばれ、これには多くの利点があります。
折り畳まれていないフィラメント束のカール角度は、標準的なフィラメント束の織り角度よりも小さいため、平滑性が向上して交差欠陥が減少します。 曲げ角度が小さいほど強度が高くなります。 開繊フィラメント束材料は、一方向材料よりも扱いやすく、依然としてかなり優れた繊維引張強度を有します。
一方向ファブリック
一方向ファブリックは、業界では UD ファブリックとしても知られており、その名前が示すように、「uni」は「1」を意味し、すべての繊維が同じ方向を向いています。 一方向 (UD) 生地には耐久性の点でいくつかの利点があります。 UD ファブリックは織られておらず、絡み合った糸やループ状の糸の束もありません。 高度に配向された連続糸のみがさらなる強度と剛性を提供します。 重なり合う角度や比率を変えることで強度を調整できるのも利点です。 好例としては、自転車のフレームに一方向性の生地を使用して層構造を最適化し、性能を調整することが挙げられます。 フレームは、サイクリストのエネルギーをホイールに伝達するためにボトムブラケット領域の剛性を維持する必要がありますが、同時に柔軟性と柔軟性を備えていなければなりません。 一方向織りにより、カーボンファイバーの正確な方向を選択して、必要な強度を実現できます。
一方向織物の最大の欠点の 1 つは、操作性が低いことです。 一方向の生地には織り込まれた繊維が存在しないため、ラミネート加工中に簡単にほつれてしまいます。 ファイバーが正しく配置されていない場合、ファイバーを正しく配置することはほとんど不可能です。 一方向の生地を切断する場合にも問題が発生する可能性があります。 繊維が切断の特定の点で引き裂かれると、それらの緩んだ繊維は生地の全長に沿って運ばれます。 通常、レイアップに一方向織物が選択される場合、作業性と部品の耐久性を向上させるために、最初と最後の層に平織、ツイル織物、およびサテン織物が使用されます。 中間層には、パーツ全体の強度を正確に制御するために一方向性の生地が使用されています。
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投稿日時: 2023 年 6 月 16 日
