熱可塑性炭素繊維複合材料は、高強度炭素強化材と溶融加工可能なポリマーを組み合わせたものです。しかし、適切な繊維形式を適切な樹脂に適合させ、最適な成形ルートを選択することが、部品の性能を左右します。ここでは、今日の工場で実際に行われている5つのプロセスについて、米国流の簡潔なガイドを紹介します。

1.溶融含浸テープの製造

目標：自動レイアップ用の完全ウェットな一方向プリプレグテープを作る。

その仕組みは、テンションコントロールされたファイバー・トウが溶融樹脂浴を通過し、加熱されたダイとニップ・ローラーを通過することで、すべてのフィラメントに樹脂を浸透させます。重要なのはフィラメントの広がりで、より太く、より平らなトウは、より速く、より均一な含浸を意味します。完成したテープは幅に合わせてスリットされ、後で使用するためにスプールされる。

2.押出・射出成形

最適：ブラケット、ハウジング、摩耗面のような、大量の短繊維部品。

工程スナップショット：チョップド・カーボンファイバー、PA66（または他の高性能ナイロン）、カップリング剤、添加剤をドライブレンドし、二軸押出機で溶融混練し、ペレット化し、乾燥させた後、射出成形する。温度が低すぎると粘度が急上昇し、高すぎると樹脂がニュートン流体のようになり、それ以上粘度が下がらない。

3.圧縮成形

理想的な用途：オートクレーブのコストをかけずに、バランスの取れた機械的特性を必要とする中型から大型の部品。

手順：あらかじめカットした熱可塑性プリプレグシートまたは繊維／樹脂の「オルガノシート」を合わせ金型に入れて積み重ねる。ポリマーの融点以上に加熱し、圧力をかけて繊維層に樹脂を押し出し、固めた後、圧力をかけて冷却する。その結果、優れた繊維体積分率を持つボイドのないラミネートが得られます。

4.FDM 3Dプリンティング

プロトタイプ、治具、機械加工では対応できない複雑な格子構造などに最適。

溶融フィラメント・プリンターは、カーボンを充填した熱可塑性プラスチック・ビーズを層ごとに積層する。部品は寸法通りに仕上がりますが、はみ出し部分には可溶性または離型性のサポートが必要です。剛性を最大にし、反りを低く抑えるには、高強度フィラメント（≥30 wt %カーボン）を使用します。

5.自動ファイバー配置（AFP）とテープ敷設

業界のスイートスポット：航空宇宙産業のスキン、スパー、湾曲した機体部分。

ロボット・ヘッドが、送られてくる熱可塑性テープやトウを溶融温度ぎりぎりで加熱し、基材に貼り付け、すぐに圧密圧力を加える。各層はその場で接着し、オートクレーブなしで厚みを増す。その結果、航空宇宙グレードのボイドレベルとファイバーアライメントを備えた、大型で輪郭の整った部品が得られます。