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CFRPの強度測定など

また長らく更新が途絶えてしまった。しかもメインPCが壊れたため画像のアップロードができない。
文字だけでもなんとかこのブログの更新だけは続けていきたい。

ここのところはRideの強度計算など,地味な作業をコツコツやっている。今日はカーボン板のヤング率を測定した。
いわゆる「ドライカーボン」と呼ばれる板の曲げ弾性率を片持ち梁のたわみ量から求めたところ,だいたい50GPa程度だった。(アルミ70GPa,鉄200GPa程度)
メーカカタログ値(カーボン繊維単体)としては100GPa以上の強度があるが,積層したものを曲げた場合には圧縮方向が弱いためほぼ材料本来の1/2程度の剛性(アルミ合金よりもやや劣る程度)にとどまるようだ。とはいえ比重が1.5~1.6程度であることを考えるとアルミ合金に対して40%は軽量化できる。カーボンはバネのようによくしなり,弾性範囲が広いのもアルミにない魅力だ。

カーボン材料同士の締結で気がかりなのがねじ締結ができるかである。まずはじめに薄板でよく使うカレイナットを試したがすぐにとれてしまい全く使用に耐えなかった。カーボン積層板は端面付近の強度が極端に弱いという欠点があるので,カレイナットはダメのようだ。
 そこで開き直ってM3のタップをt=2.0mmの板に直接切ってみたら,これが案外いい感じだった。トルクドライバの締め付けトルクをめいっぱいあげて10kg*cmとかでM3ボルトを締めてもまったくねじバカになる気配がない。(通常はM3の場合6kg*cm程度が適正トルク。)
雌ねじが切られるときにすき間のバインダーが弾性変形しているためのだろうか,ねじロック剤を塗った後のようにキツイ感じでねじが入り,ゆるみ止め効果も期待できそうな感じである。(ちなみにt=1.5mmではバラツキが大きく,すぐにねじバカになるケースもあった。)

厚手のカーボン同士の締結には直タップがいいかもしれない。
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この記事へのコメント

- frosty - 2010年02月24日 02:02:17

2mmドライカーボンにM3タップ私もやってます。ポロポロ崩れてねじ山を駄目にしてしまったりもしたので、スプリューも使ってみてます。強度的にはスプリューの方がいいかなぁと思ってますが、ネジが緩みやすいような気がします。ご参考まで

- もやね - 2010年02月28日 20:45:46

もやねです。frostyさんコメントありがとうございます。スプリューというのがあったんですね。知りませんでした。
杉本産業さんのサイトで調べてみました。
http://www.sgmto.jp/sprew/index.html
インサートに専用工具が要るのがちょっと難点ですが、スプリューとCFRPの接合強度さえ確保できれば使えそうですね。

- kto - 2010年06月08日 03:30:53

鳥人間やってました、ktoと申します。
CFRPですか…どこで調達してますか?自分はUDプレートが穴織カーボンですが。
それから、文中で「強度」と「剛性」がごっちゃになっているようなのですが、どうなのでしょう?カーボンは異方性材料かつ複合材料なので、曲げ試験の実施方向や積層構成、樹脂含有率などで剛性が変わってきます。
カーボンは摩耗に弱いイメージがあるので、直タップはそのうち穴がバカになるかもしれません。

こんばんは - - 2010年06月08日 20:13:39

ktoさんはじめまして。
鳥人間は私もいつもTVで見てます。
確かに今見ると「強度」と「剛性」がごっちゃになってますね。「強度」は壊れにくさでねじタップの話,
「剛性」は変形しにくさでヤング率測定の話なので分けて書くべきでした・・・
読みづらくてすみません。
CFRPですが,私はゼロ・カーボンさんで良く注文します。
http://www.zero-carbon.com/company_profile.html
板の価格が比較的安いので。
こちらのカーボン板は表面のみクロスで内層UDのようです。
この時測定したデータでもヤング率が縦と横で20%ぐらい差が出ました。
カーボンは摩耗しやすいって本当ですか?
イメージと逆でした。CFRPは硬いため相手材が削れるものかと。
(モータの「カーボンブラシ」もありますし。あれって摩耗に強いからブラシに使ってるんですよね。たぶん・・・)

- kto - 2010年06月10日 03:01:06

CFRPはエンドミルやルータビットなどでの切削時、たしかにエンドミル側が結構ダメになります。超硬~~とかダイヤモンド~~など、硬いもの用以外は一発でダメになったり。炭素なので繊維方向では硬度が高いようです。http://www.carbonfiber.gr.jp/faq/faq.html#1
ただ、(鉛筆の芯同様グラファイト系は剥離方向には弱いらか)やすりで結構削れますし、ネジ締結で下穴を開ければ、振動や大きな力がかかればけずれて行くイメージです(フレッティング摩耗?)。
なので、frostyさんのおっしゃるように、穴部分は補強したほうが吉です。瞬間接着剤をしみこませるだけでも違うかと。
でもネット上だと「耐摩耗性が高い」のふれこみが多いですね…摺動部品としての能力は高いんでしょうか?摩耗にも種類があるようです。
ちなみにモータのカーボンブラシは消耗品で、グラファイトが削れていくため摩擦が少なく、摺動相手の整流子を削らないようにそれなりに削れやすいようです。http://www.aupac.co.jp/what/04.html
長くなりました。それから間違ってたらすみません。

CFRPとモータのカーボンブラシ - - 2010年06月11日 01:25:31

katoさんこんばんは。
カーボンといっても色々あるんですね。
モータのブラシに使われいるカーボンは鉛筆なんかの仲間の「ほどよく削れるカーボン」なんですね!知りませんでした。
CFRPの高剛性グレードを評価したときもそうなんですが,剛性を上げて変形しにくくするほどパキッと折れるというジレンマに陥りまして。
CFRPは繊維がまとまってないササクレ部が特に弱いようです。
なので直タップ後の部分部分で切断した繊維を固着する瞬間接着剤は良いアイデアかもしれません。試してみます。
どうもありがとうございました。

ハイテンVS炭素繊維 - プレス技術者 - 2013年08月12日 20:08:48

 炭素繊維が普及しないのは工具鋼製の金型で加工できないためだろう。コストもリーズナブルで大きなものが普及していかないと、マニアックな世界のままで終わってしまうだろう。ハイテンがなぜ普及したのかを調べてみることだ。

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長野県在住の会社員(メカニカル・エンジニア).
ロボットは完全な趣味としてやってます.
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