ドライカーボンの中にも種類がある!?カーボン製法のまとめ【ウェットカーボンも】

みんな大好きカーボンパーツ。
製法には大きく2種類があってウェットカーボンとドライカ-ボンと呼ばれています。
「そんな事知っとるわ!」とか言われそう。

しかーし!
一口にドライカーボンと言っても実は更に細かく分かれており、製法も特徴も全然違ったりします。
皆様にささやかな幸せとバイクの知識をお送りするWebiQ(ウェビキュー)。
今回はドライカーボンの様々な製法について掘り下げます!

カーボン製品とは、ようするにプラスチック製品である


いきなり衝撃的な見出しですが本当です。
そもそもカーボンはCFRPと表記されますが、これは Carbon Fiber Reinforced Plastics の略です。
日本語にすると「炭素 繊維 強化 プラスチック」。

ようするに炭素で出来た繊維で樹脂(プラスチック)を強化して、樹脂単体で使用するよりも高い強度や剛性を得ているプラスチックという、名前のまんまの技法です。

先頭の「カーボン」を取ると単なるFRPになってしまい、一気に馴染み深くてチョロい感じになりますよね?
でもFRPだって炭素繊維の代わりにガラス繊維を使っているだけで、狙いも構成もカーボン製品と同じです。
樹脂の補強材にガラス繊維を使うのかカーボン繊維を使うのか、FRPとCFRPの違いはソコだけ。
どちらにしても繊維で強化しているだけで本質的にはプラスチックです。

カーボンは大きく分けて2種類ある

まずは復習から。
一口に『カーボン製』と言っても大きく分けるとまず2種類に分別されます。
それがウェットカーボンドライカーボン
これは最近では有名ですよね。

ひと昔前はドライカーボンなんて物は世の中にほとんど無く、ワークスマシンなどの極一部のホンモノだけが使用できる超高性能パーツでした。
市販されているカーボン製品はありましたが、ほぼ全てがウェットカーボン。
それが当たり前でした。

ウェットカーボンとは?


ウェットカーボンというのは最初に書いたようにFRPと大差ありません。
FRPがガラス繊維だった部分(の一部)を炭素繊維に置き換えただけ。

確かに炭素繊維はガラス繊維よりも強度や剛性や軽量さに優れていますが、それ単体で劇的に性能アップするほどではありません。
ほんのちょっとだけ。
だからウェットカーボンは基本的に強度も剛性も軽量さもFRPと同等です。

製法もFRPと全く同じです。
FRPがガラス繊維を積層したところに樹脂を流し込んで染み込ませてから固めた物なのに対し、ウェットカーボンは炭素繊維を積層したところに樹脂を流し込んで染み込ませた状態で固めて制作します。
樹脂の補強に使う繊維の材質が違うだけ。
樹脂を染み込ますのは人間が手作業で行いますが、十分に樹脂を染み込ませ切れないとその部分は繊維だけになってしまうので、強化プラスチックどころかカーボン布みたいな状態になってしまいます。
そうならないように、内部に気泡が出来ないようにしっかり樹脂を染み込ませるのが腕の見せ所で、良質な製品を作るブランドはこの職人的作業の技術力が違います。

ウェットカーボンは絶対的な性能というより見た目を重視しているので、表の1枚だけが高価なカーボン繊維で、下の積層は単なるガラス繊維という製品も多々あります。
というか、それが普通です。
カーボン繊維はガラス繊維の10倍くらい高価なので。

でも表から見えるカーボン繊維の模様のおかげでワークスマシンのような外観になるので、ウェットカーボン製品はメチャクチャ流行りました。
今でも単にカーボンと言えばこのウェットカーボン製法が普通です。

カウルなどの場合、カーボン繊維が表の1枚だけだと繊維の隙間から光が漏れてしまうので(FRPは裏から光を当てると繊維と樹脂を通過して明るくなるくらい光を通す)、製品裏面に遮光性の黒い塗料を塗ったりして工夫されています。
分厚い遮光塗料の分だけ重くなるので炭素繊維の軽量さなんて帳消しになりますが、求めているのはそういう性能ではないのでOK。

例えば楕円ピストンで有名なNR750は高価な事でも有名ですが、カウルもカーボン製なのがウリでした。
カウルに書いてあるNRの文字がクリア塗装仕上げになっており、下地のカーボンが透けて見えていて「スゲー!」ってなったものです。

でもアレ、NRってロゴの部分だけ下地にカーボン使われてて、それ意外の部分は単なるFRPだと知ってガッカリした覚えがあります。
当時はカーボンというだけで非常に高価だったので、見える部分だけカーボンを使用したのでしょう。

ドライカーボンと比較すると性能で見劣りするウェットカーボンですが、メリットもあります。
なにしろ基本的にFRPなので、もし割れても自宅で簡単に修理が出来るのです。

ドライカーボンとは?


ではウェットカーボンに対するドライカーボンとは何でしょう?
ちょっと詳しい方ならこう答えるはずです。
「ウェットカーボンと違って窯で焼いて作る、だから軽量で剛性があって強度がケタ違いだ」と。

間違ってはいませんがイマイチ煮え切らない感じですよね。
何で窯で焼いたらケタ違いに高性能になるのかが解りません。

……というわけでもう少し詳しく説明すると、ドライカーボンというのはウェットカーボンに比べて圧倒的に炭素繊維の含有量が多いから強度が高いカーボン、となります。
別の言い方をすると、同じ厚さなら含有する樹脂の量が圧倒的に少ない

同じ体積の中に強化繊維が大量に含まれているのだから、そりゃ強度や剛性がアップするのは当たり前ですよね。
逆にそこまでの高い強度が必要無い製品(=FRP製品と同程度の強度があれば十分な製品)の場合は製品の厚みを大幅に薄くする事が出来るので、圧倒的に軽量に仕上げる事が出来るようになります。

しかしここで新たな疑問が出てきます。
ウェットだろうとドライだろうと使っているのは同じ炭素繊維なのに、なぜそんな事が可能なのか?
それはドライカーボンの製法に秘密があります。

ドライカーボンの作り方

ウェットカーボンが炭素繊維を積層した物に樹脂を染み込ませてから固めて作る事は上で書きました。
もう少し具体的に書くと、

1:製品のメス型に炭素繊維とガラス繊維を乾いた状態で重ねる
2:そこに硬化剤を混ぜた樹脂を流し込む
3:ハケやローラーで繊維の奥まで樹脂を押し込む
4:十分染み込んだ状態で樹脂が硬化する
5:固まったものを型から抜く
……となります。


世間一般に広く知られているドライカーボンの場合、もう「1」の段階から違います。
一般的なドライカーボンの製法を具体的に書くと、
1:製品のメス型に初めから熱硬化型の樹脂が染み込んでいる炭素繊維を重ねる
2:製品のメス型もろとも真空パックしてしまい、圧縮する事で余分な樹脂を追い出す
3:その状態を維持したまま窯に入れ、残った僅かな樹脂を高温高圧下で硬化させる
4:固まったものを型から抜く
……となります。


名前はドライなのに最初の「1」の段階で既に繊維に樹脂が染み込んでしっとり濡れちゃってるのが面白いですね。
でもそんな事はどうでも良くて、ここでのポイントは硬化剤を使った2液硬化型樹脂ではなく熱硬化型樹脂を使っている事と、真空圧縮することで余分な樹脂を追い出している事です。
なお、この高温高圧を掛けて固める窯の事を「オートクレーブ」と言いますが、ドライカーボン製品の事をオートクレーブと呼んだりする場合もあります。
ややこしい……。

樹脂が少なくて軽いのと、繊維だらけでカサカサ乾いた感触になるので「ドライ」カーボンというわけです(たぶん)。

なぜドライカーボンが高性能なのか

完成品に含まれる樹脂の量がウェットカーボンより圧倒的に少なくなるのは前出の解説のとおり。
その秘密が「余分な樹脂を追い出しているから」です。
同じ厚さなら炭素繊維の含有量が多くなるから強度が高くなる。
同じ強度なら薄く出来るので軽量になる。
これが高性能の秘訣です。


ウェットカーボンは自然硬化する樹脂で成形しつつ補強材としてカーボン繊維を使うのに対して、ドライカーボンはカーボン繊維で成形しつつ繊維がバラバラにならないように熱硬化型の樹脂で焼き固めた物。
見た目は似ていますが全く別物です。

でも、ウェットカーボンでもカーボン繊維の量を増やせば同じ事になりますよね?
ドライカーボン並みの炭素繊維量があればドライカーボン並みの性能を持つだろうと。

これはその通りで、もしそれが可能であればウェットカーボンでもドライカーボン並みの性能が出せます。
しかし現実は甘くなく、それが出来ないのです。
樹脂を炭素繊維に染み込ませたあと、今度は樹脂を真空で吸い出……せません。
そんな都合の良い樹脂は無いのです。

ドライカーボン製品が製造過程で窯で焼く工程があるのは別に焼いて軽量化しているのではありません
たまたま真空圧縮で余分な樹脂を排出できる特性の樹脂が窯の熱で硬化するタイプだったというだけ
しかもこの樹脂は後からペタペタ塗ったり流し込んだりする事は出来ないので、あらかじめカーボン繊維に染み込まされた状態で製品化されている必要があります。
型に貼り込む時は少しベトベトと湿ったカーボンシートを貼り込み、後から樹脂を注入したりしません。

因みにこの樹脂で湿った状態のカーボン繊維シートを「プリプレグ」と言います。
温度管理がシビアで消費期限の短いナマモノなうえに非常に高価。
ドライカーボン製品の事をカーボンプリプレグ製などと書いてある事もありますが、ユーザーにわかりやすく差別化する為にそう書いているのでしょう。
プリプレグはあくまでも素材の状態を指し、樹脂が硬化した完成品はプリプレグと呼ばないのが普通です。

製品の表面がカサカサなのは窯で焼いたからではありません
余分な樹脂を押し出して樹脂の含有量が少ないので炭素繊維がほぼ表面に出てしまっているからです。
もっとも、最近はドライカーボンらしくするためにつや消しクリアーで表面塗装されていたりするので、カサカサしていればドライカーボンというわけではありません。
表面保護のためにクリア塗装されている製品も多く、この場合はテカテカの表面仕上げになります。

このような理由で、表面上の見た目だけでウェットカーボンなのかドライカーボンなのかを見分けるのは非常に困難です。

極一部のクリアコートを施していないドライカーボン製品(性能重視で表面仕上げのツヤなど気にしない製品)では、樹脂の層の隙間からカーボン繊維が網目状に表面に出てしまうので網目状にツヤの無い部分があるマダラ状の表面仕上げになり、その場合だけは表面を見てドライカーボンだと判断できます。
これはワークスマシンの未塗装カウル表面などで見る事ができますが、普通はお目に掛かれる物ではありませんし、市販車の部品や市販パーツでそこまで本気出している例は滅多にありません。

『窯で焼く』という言葉のイメージから来る「窯で焼いているから余計な物が揮発して軽い」「窯で焼いているから表面カサカサ」「窯で焼いているから焼き固めらてれ強度が増す」という話ではない事がわかっていただけたでしょうか。

ところがこれ以外の製法もある

ここまで御託を並べておいて恐縮なのですが、実は上記以外の製法もあったりします。
というより、バイク用以外の工業製品としては上記以外の製法の方が主流です。

今までの解説のとおり、ドライにしろウェットにしろ強化繊維のシートを「手で型に貼り込む」という作業が必要不可欠で、これは非常に効率が悪いです。
なにしろ手作業なので時間が掛かりますし、手作業なのでどうしても製品品質にバラツキが出てしまします。

何とかして製品を安定化しつつ量産する方法は無いものか……。
そこで編み出されたのが『RTM(Resin Transfer Molding)』と呼ばれる製法です。
日本語で言うと「樹脂 圧送 成形」みたいな感じ。

RTM製法とは

ウェットカーボンやFRPの製法として上で紹介している、製品の型に手で繊維を貼り込む製法は「ハンドレイアップ成形」と呼ばれる製法です。
繊維を貼り込んで敷き詰め、後から樹脂を注入し、ハケやローラーで気泡を押し出して隅々まで樹脂を浸透させた後、樹脂に含まれた硬化剤が反応して樹脂が固まり、製品になります。

ドライカーボンは最初から樹脂が染み込ませてある繊維(プリプレグ)を型に敷き詰め、真空パックで圧縮して余分な樹脂を抜き取り、高温高圧の窯(オートクレーブ)の中で樹脂を硬化させる製法ですが、手で繊維を貼り込むという意味ではハンドレイアップの一種です。

ではRTM製法はどうするかと言うと……、
まず、ウェットカーボンの時と同じように型に繊維を並べます。
ハンドレイアップじゃん!と言いたいところですが、この型に対して製品の厚さ分だけ隙間のある『もう一つのオス型』があるのがRTM製法の特徴。
繊維を挟んだ状態で型を閉じて繊維を圧縮してしまいます。


そして、繊維を圧縮した隙間に樹脂を超高圧で押し込むのです。
挟んだ型の一方から樹脂を注入し、型の反対側から樹脂が出て来たら型の中に樹脂が隅々まで注入された証拠!
繊維は圧縮されて普通のハンドレイアップ時より密度を増しているので、このまま硬化させればOK。

ドライカーボンとするなら圧縮した型もろとも高温の窯に入れて樹脂を硬化させるので、完成品は真空パック式で作ったドライカーボン製品とほぼ同じ性能になります。
しかも、この製法は表と裏に型があるので、完成品の表面が裏も表も綺麗な平面になります。
真空パック式は裏面に収縮したパックのシワの跡が残って凸凹しているので、大きな違いです。

完璧!と言いたいところですが、難点がいくつかあります。
まず、非常に精度の高い型がオス側とメス側の2枚セットで必要な事。
薄い物には不向きですし、精度の良い型を2つも用意しなければならないので初期コストがべらぼうに掛かります。
また、圧縮した繊維に樹脂を圧送しなければならず、超強力な出力を持つ圧送機が必要となり、ただでさえ大掛かりなドライカーボン製造施設がもっと大掛かりになってしまいます。
つまり、同じ製品を大量生産しなければ元が取れないのです。
ハッキリ言ってバイクのカスタムパーツ製造には向いていないと言わざるを得ません。

それ以外の製法

様々な問題のあるRTM製法ですが、工夫次第でもう少しだけマシにする事もできます。

強化繊維を型に敷き詰めるのは面倒なので、あらかじめ繊維を細かく裁断しておき、敷き詰めやすくする方法があります。
でもそのままでは細切れになった繊維が飛び散って余計に作業しにくくなるので、裁断した繊維にあらかじめ樹脂を染み込ませたペースト状のシート(けっこう固い)を作っておき、これを型に敷いた後で圧縮成形する方法が編み出されました。
これは『SMC(Sheet Molding Compound)成形』と呼ばれます。
例によって無理やり日本語化すると「板状 成形 化合物」でしょうか。

弱点はせっかくの強化繊維が裁断されて細かくなっているので、完成品の強度が低くなってしまう事。
ですので、比較的強度を必要とされず、そこそこ厚みがあり、量産するだけの需要があり、金属から置き換えても良い部品などで採用されます。
バイクや4輪車だとエンジンヘッドカバー、タペットカバー、エアクリーナーボックスなどです。
逆に、例えばカーボンホイールなど、最高の強度を求められる部分には向きません

SMCの場合、表面に裁断された繊維が細かく見える程度の荒い裁断から数mm幅程度まで、用途によって繊維の裁断具合に幅があります。
ほとんど粉レベルまで裁断された繊維を練り込んであるシートを使った場合、完成品は普通のプラスチック製品と見分けが付かなくなります。

さらに高圧で圧縮して余分な樹脂を排出しつつ焼き固めると、どう見ても黒いプラスチック製品なのに持ち上げるとドライカーボンの軽さで強度もかなりあるという、なかなか不思議な物体が出来上がります。

私が目撃した製品だと、DUCATI 916コルサ(レース専用車)のクラッチカバーがSMC成形された後にオートクレーブで焼き固められたドライカーボン製でした。
どう見ても単なる黒いプラスチック(あるいは黒く塗装されたアルミ)なのに、不気味なほど軽くて、しかも踏んでも蹴っても絶対割れないスゴイ強度でした。

因みに最も身近なSMC成形によるFRP製品は、家庭にあるお風呂です。
無垢の大理石や総檜造りの豪華なお風呂を別にすると、お風呂はたいていFRP製で、かなりの確率でSMC成形で作られた量産品です。
ユニットバスそのものが丸ごとSMC成形なんて事も超一般的です。
ガラス繊維の代わりにカーボン繊維を使い、プレス圧縮した後にオートクレーブで焼き固めたら超軽量なレーシングスペックのドライカーボン製風呂釜が出来るという事ですね!
うーん!夢は広がるばかり。

カーボン製品の構造は鉄筋コンクリートと同じ


何となく気付いた方もいらっしゃるかもしれませんが、カーボン製品の構造は鉄筋コンクリートと似ています。
コンクリートの部分が樹脂で、鉄筋の部分がカーボン繊維。

鉄筋を編んだシート状の物を重ねてメス型に入れ、上から生コンクリートを流し込んで自然乾燥させたのがウェットカーボン。
初めから生コンクリートを含んだ状態で編み上げてある鉄筋を重ねてメス型に入れ、真空パックで余分なコンクリートを抜き取り、そのまま高温で焼き固めたのがドライカーボン。
鉄筋を編んだシート状の物を重ねてメス型に入れ、上からオス型で圧縮し、隙間に生コンクリートを流し込んで成形するのがRTM成形。
細かく切った鉄筋を混ぜ込んだコンクリートをオス型とメス型の隙間に流し込むのがSMC成形。

ものすごくザックリ言うとこんな感じです。

一口にドライカーボンと言い表す事は出来ない

ウェットやドライといった分け方以外にも、成形方法や圧縮方法、樹脂硬化方法など、様々な製法がある事がおわかりいただけたでしょうか?
ドライカーボンなら何だって強度も軽さも最強!というほど単純ではないのです。

しかも『炭素繊維を強化部材として使うプラスチック製品』というのはまだ歴史が浅いジャンルで、次々と新しい製法が編み出されてもいます。
最近ではチューブ状に成型する際、補強繊維が全く途切れない「ブレイディングカーボン」という製法が編み出されています。


繊維が切れていないので円筒形なら最強の構造となりますが、今までこんな製法は不可能でした。
円筒形という事はホイールに使えば最適の構造となり、ポルシェ911に初めてメーカー採用されたカーボンホイールはこの製法です。
BMW HP4に採用されているカーボンホイールもこの製法。
それまでのドライカーボン製というだけのホイールとは繊維の構造からして全く別物なので、ハンドレイアップ成形やSMC成形と同様、比較する事が間違っているとさえ言えます。

知れば知るほど興味を引かれるプラスチック。
そんなカーボン製品の魔力に、あなたも引き込まれてみませんか?
因みに知ったら後戻りはできません。
こうして記事を最後まで読んでしまったそこのあなた!もうムリっすよ?

関連キーワード
車種に関連した記事
外装,足回りに関連した記事