バキュームバギングによるCFRPのせいせいほうほう

　バキュームバギングによるCFRP生成方法について聞かれたのでちょっと記事化してみます。

　うちの自作リカンベントであるLiliumⅠもⅡも，炭素繊維を使ったCFRPで作ったパーツによりフレームを作り出しています。

　これはLiliumⅡであるけれども，フレームの白く塗られているところが自作CFRPなのです。

　ところで，自作CFRPの話をするにあたって，まずCFRPとは何ぞやって所から始めなくてはならないのだけれど，とりあえず説明していくのであるぞ。

　CFRPは　Carbon Fiber Reinforced Plastic　と呼ばれるもので，炭素繊維強化プラスチックのことである。ようはプラスチックである。

　そんでもって，CFRPには大雑把に2種類あって，ウェットカーボンとドライカーボンがある。

　ウェットカーボンは，型や成形品そのものにカーボン繊維をのっけて，樹脂を塗りつけてそのまま硬化させるものをいう。ハンドレイアップ成形と言えばわかりやすいだろうか。繊維を貼って固めただけである。

　ドライカーボンと呼ばれるものは，繊維に樹脂をしみこませて型に貼り付けたのち，何らかの方法で型に押し付けて固める方法で作られたものである。

　双方の違いは樹脂含有量の違いである。樹脂を塗って固めただけのウェットカーボンは，樹脂含有量が高く，強度は低め。ドライカーボンは，型に繊維を押し付けながら樹脂を追い出して硬化させるので，樹脂含有量が低く，相対的に炭素繊維の含有量が上がるので，強度が飛躍的に上昇する。

　ウェットとは樹脂たっぷりの意で，ドライとは樹脂が少ないという意なのである。

　ここで紹介するのはドライカーボンの生成方法を紹介するが，ドライなCFRPの生成方法はいくつかある。

　航空産業，自動車産業，自転車産業など，マスプロダクトで主に使用されている生成方法は，オートクレーブ成形と呼ばれるもので，「プリプレグ」と呼ばれるものを使ったCFRPである。あらかじめ樹脂をしみこませた炭素繊維をプリプレグと呼び，それを強度計算された繊維方向で型に適切に積層し，外部，内部から高圧をかけつつ，100～200度で加熱硬化させ，成形するものである。軍用機やらロードバイクやらのカーボンパーツはこうやって作られる。もちろん自宅でやるのはとっても難しい。厳密に言えばこれが俗にいうドライカーボンである。

　それ以外でのCFRP生成方法では「RTM成形」「VaRTM成形」といったものがある。あらかじめ繊維だけ真空パックで型に押し付け，押し付けたままその繊維の中に樹脂を浸透させたのち，硬化させて成形する方法がある。これも樹脂の量が少なく，繊維含有量が高い。

　ようはCFRPは樹脂を減らし繊維含有量を上げれば強度が上がるのである。

　そしてそんな中で，私が行ったCFRPの生成方法が「バキュームバギング成形」である。

　樹脂をしみこませた繊維を型にペタペタ貼り付け，それを真空バッグに入れて真空ポンプで空気を抜き，型に大気圧で繊維と樹脂を押し付けて硬化させる方法である。この方法だと，繊維を型に押し付けながら樹脂を追いだすことができるので，強度が上がるのである。

　という事で，私が家のこたつ机で行った，自転車に使える，強度のあるCFRPの作り方を紹介したいと思う。

◇ 用意するもの

・成形したい型

・カーボンクロス(3Kカーボン)

・エポキシ樹脂(2液性のカーボン用)

・段ボール箱 (AmazonのものでOK)

・ヘアドライヤー

・料理用温度計

・そのへんにあるポリエチレンゴミ袋

・キッチンペーパー

・車用のボディワックス

・洗濯ノリ(PVAノリ)

・消毒用アルコール

・剣山(生け花に使うやつ)

・アルミテープ(離形用)

・真空ポンプ(ヤフオクで1万円くらいの)

・真空ポンプにつなぐホース

・エアホースに繋ぐホースニップル

　用意するのはこんくらい。グッデイならできる。

◇ 製法

　ざっくりとした成形方法を説明すると，エポキシ樹脂をしみこませた繊維を型に貼り付けた後，型ごと真空バッグで包み込み，真空ポンプで空気を抜いて，型に樹脂と繊維を大気圧でぎゅうぎゅう押し付けながら加熱して硬化させ成形するという方法である。樹脂は型に押し付けられる際，マイラーシートと呼ばれる離型フィルムから染み出して外側のブリーザーが吸い取る。大層なことを言っているように見えるが，真空バッグはゴミ袋だし，マイラーシートとブリーザーもゴミ袋でキッチンペーパーである。その辺にあるものを使う。

　加熱炉はAmazonの段ボール箱である。加熱器具はドライヤー。

　プリプレグは100～200度とかの高温が必要だが，市販のエポキシなら100度未満で強度性能が出る物がある。使用した樹脂は80度で良い。ドライヤーで十分。温度計突っこんで，様子見ながら加熱するのだ。ちなみに樹脂会社に問い合わせたところ，最終的な物性は加熱しようとしまいと大して変わらないらしい。そんなもんである。

① 型を用意する。

　型はDMM3Dプリントのナイロンで出力してもらう。

　フレーム一台分の型。ナイロンは強くて安い。離型のためにアルミテープを隙間なく貼って型にする。アルミは樹脂とくっつかない。

　アルミテープを貼ったらピカールでとりあえず磨いて，車用ワックスをかける。離型のためである。

② PVAで離型処理する。

　FRPを作るときは，離型用の被膜を型表面に作る。型と積層物の間に膜を作ってくっつくのを防ぐ。FRP専用品の成分はPVA。つまり洗濯のりと変わらんやんけ。なんで洗濯のりを消毒用エタノールで薄めて塗りやすくして，型に塗って膜を作る。

　ワックスのせいで弾くので，塗ったらドライヤーで乾かし塗ったらドライヤーで乾かしを繰り返し，無理やり被膜を作るのである。隙間なく膜ができたら処理完了。型がツルピカならこれはしなくても大丈夫な工程。

③ カーボンクロスを必要枚数カットする。

　3Kカーボンクロスを必要な厚み分カットする。大体1枚0.2mm程度なので，2.5mm位の厚みにするには差し引き10枚くらい必要。

④ マイラーシートを作ったり，ブリーザーを作ったり，真空バッグを作ったりする。

　離型用フィルムのマイラーシートは，ようは穴がいっぱい空いた，エポキシ樹脂にくっつかないフィルムである。なのでゴミ袋を必要なサイズに切って，剣山を押し付けて穴をいっぱい空けておけばよい。これを，カーボン繊維とキッチンペーパーの間に挟んで互いにくっつかないようにする。　真空バッグはゴミ袋を適当な大きさに切る。できるだけ切らないほうが空気漏れは少ない。ブリーザーとして使うキッチンペーパーは樹脂を吸い取らせるのと，空気の通り道として使う。キッチンペーパーは型に被る程度の大きさに切っておく。真空ポンプに繋ぐホースニップルのところはキッチンペーパーを4重くらい重ねておくと空気の通り道となってよい。

　下の画像はホースをつなぐホースニップル部分。　ホームセンターの空気配管用のコーナーにホースニップルはある。ワッシャとワッシャの間に丸く切った薄いゴム板を挟んで，その間に真空バッグを挟んでナットで締め付ける。

　こんな感じ。

⑤ 型にカーボンクロスを積層する。

　切ったカーボンクロスにエポキシ樹脂を塗って型に積層する。

　カーボンクロスに樹脂塗って型に貼っての作業写真は無い。2液性エポキシ樹脂は硬化開始までの時間が短いので，写真撮ってる暇がない。

⑥ 積層したカーボンクロスを真空バッグに入れる。

　カーボンクロスを型に樹脂で積層したら，まずマイラーシートである穴あけごみ袋を貼り付ける。その上にブリーザーのキッチンペーパーをしく。その状態で真空バッグであるごみ袋に入れて，口をしっかり閉めて，真空ポンプに繋ぐ。

　図にするとこんな感じ。作業が忙しいので写真がない。

⑦ 真空ポンプで空気を引いてバギングする。

　ここまで終わったら真空ポンプのスイッチをオンにして空気を抜く。

　真空バッグがしぼんで型に押し付けられる。大気圧がかかり，マイラーシート越しに染み出した余分な樹脂がブリーザーに吸い取られながらカーボンクロスが圧縮される。この状態で段ボール箱に入れ，ヘヤドライヤーをオンにして，温度計を押し込んで，80度くらいまで様子を見ながら加熱する。真空ポンプもドライヤーもつけっぱなしにして大体2時間ほど放置する。そうするとエポキシが硬化しカチカチになる。

⑧ 硬化し終わったら袋から取り出して余分なものをはがす。

　硬化し終わったら真空ポンプから外して袋から取り出す。

　こんな感じ。樹脂が多めだとこのようにキッチンペーパーに樹脂がたくさん染み出る。

　ブリーザー代わりのキッチンペーパーを剥がし，マイラーシートも剥がす。CFRPのお出ましである。

　スクレーパーを使って型から引きはがす。離型処理してるので比較的簡単にはがれる。

　内側にはPVAの被膜が貼りついているので，剥がす。ペリペリと剥がれる。剥がれないときは水洗いできれいに落ちる。

　これでCFRPの完成である。体重100kg以上の人がこの上でジャンプを繰り返しても割れることはない。とにかく強い素材になる。樹脂含有量は低いが，とても低いわけではないので，個人的に「半ドライカーボン」と呼んでいる。これが私なりのCFRPの製作方法である。

⑨ 余分な部分を削り取って，パーツとして仕上げる。

　最終的には，型からはみ出た余分な部分をきれいに電動ツールで切り落として，CFRPのカーボンラグとして完成する。

　このような感じ。それぞれバキュームバギングで作っている。リカンベント1台分でこんな感じである。

　これをフレームのパイプ同士のジョイントとして接合部に貼り付けて……

　カーボンフレームになる。

　というふうに，比較的身近な道具で，人が乗れる程度のCFRPを作り出すことがご家庭でも可能なのである。