「FRP外観定量評価に対する表面粗さと光沢度の評価指標適合可否検証」に関するPDF資料はこちらからご覧いただけます。
背景
繊維と樹脂を組み合わせた複合材料であるFRP（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）は、軽量化、剛性付与、耐薬品性等の観点から様々な産業用途に用いられている。層状に積層されたFRPはその破壊の多くが層間で進展することから、破壊回避に対し外観要件は求められないケースが多い一方、人の目に触れる等の理由から外観に対する要求事項が課せられるケースがある。しかしながら外観要件の多くは感覚論に基づく定性的なものであり、図面要求として明文化することが困難なため、定量化が必要である。そこで「FRP外観定量評価」として表面粗さと光沢度に着眼し、これらの指標がFRPの外観定量評価に適用できるか否かについて検証を行った。
目的
外観状態の異なる複数水準のFRPに対し、表面粗さと光沢度の測定を実施し、外観状態の違いが定量指標として適用できるか否かを判断する。
結論
光沢度はFRP外観状態の向上に伴う数値の増加がみられた。明確な相関関係を示したことから定量指標として適用できると判断する。表面粗さとFRP外観状態には明確な相関は認められず、外観状態に関する定量指標には適用困難と考える。
概要
成形型の研磨条件や成形後のFRP表面処理条件の違いにより、外観状態の異なる IV FRP surface gloss A～D のFRP平板を準備した。末尾のアルファベットA→Dの順で外観状態が良好となり、CやDでは照明を反射する状態となった。このFRP平板は、ガラス繊維と不飽和ポリエステルで構成されるGFRPで、表層がアイボリー色のゲルコート層である。FRP平板の外観状態によらず表面粗さは Ra、Rz で0.1～1.8μm程度で、表層が平滑な状態であることを示したが、外観状態との相関は認められなかった。一方、光沢度はFRP平板の外観状態の向上に応じて30から80GU程度に数値が上昇し、明確な相関が認められた。
評価準備と評価方法
外観の異なるFRP平板製作
外観の異なる4水準のFRPはすべて同一の不飽和ポリエステル樹脂とガラス繊維を用い、外観状態を評価する表層（図面上のSurface A）はアイボリー色のゲルコートを適用した。積層と成形は同一の作業者によるハンドレイアップで実施した。平板の成形型は異なる条件で表面研磨し、これらの型で成形したものを外観状態の良好な昇順にAからDとした（IV FRP surface gloss D が最も外観状態が良好）。当該平板の図面を下図に示す。
外寸の加工はすべてハンドグラインダーにて実施した。加工後の検査は、2D寸法計測はデジタルノギス CD67-S20PS、マイクロメーター PMU300-25MB（ミツトヨ）にて実施した。寸法検査はすべて22℃、50RH%に管理された恒温恒湿にて行った。
表面粗さ測定
表面粗さは22℃、50RH%に管理された恒温恒湿にて、SJ-310（ミツトヨ）を用い、校正実施後、計測を行った。計測プローブはハイトゲージに取り付けて水平を確保した上で実施した。触針の先端半径は μm のものを用い、ローパスフィルター、ハイパスフィルターのそれぞれのカットオフ値 λs、λc を0.0025mm、0.8mm、基準長さ lr は0.8mmに、評価長さ ln は4.0mmに設定した（適用規格 JIS B0633:2001）。測定の状況を下図に示す。
また、表面粗さに異方性がある可能性を考慮し、垂直、並びに水平方向について計測を実施した。測定方向のイメージ図を下図に示す。取得した粗さパラメータは Pa、Pz、Pv、Pt、Ra、Rz の6つである。
表面光沢度測定
FRP平板表面の光沢度は22℃、50RH%に管理された恒温恒湿にて、単角度光沢計 YG60S（3NH）を用い、校正実施後に計測を行った。照射角度は60°固定である。測定においては、FRP平板の表面に直接測定機を接触させることによって実施した。計測の様子を下図に示す。
測定箇所によるばらつきを把握するため、各FRP平板について、下図に示す9か所の測定を行い、平均値、標準偏差を算出した。
結果
外観の異なるFRP平板製作
IV FRP surface gloss A から D の4水準の平板の外観写真を下図に示す。IV FRP surface gloss A と比較し、同 C や D においては光の反射状況から光沢が出ていることがわかる。色合いの違いは光の加減によるものである。
2D寸法検査結果を下表に示す。IV FRP surface gloss B は外寸が上限公差を0.61mm上回った。また、厚みについては狙い値3mmに対し、概ね3.5～4.5となり、0.5から1.5mm程度厚めに成形されていた。
表面粗さ測定
表面粗さの測定結果を下図に示す。横軸は FRP平板名称 IV FRP surface gloss の末尾のアルファベットに対応し、また計測方向を水平、垂直で示している。外観状態が良好なものほど、表面粗さが減少する傾向にあることが明らかとなったが、外観状態との明確な相関は認められなかった。
水平と垂直という計測方向によって、表面粗さ指標によらずいくつかのFRP平板において当該測定値の差異が認められた。粗さ曲線を指標に算出される Ra、Rz はそれぞれ0.1～0.2μm、0.8～1.8μm程度、断面曲線を指標に算出される Pa、Pz は同0.1～0.35μm、0.8～1.7μm程度で Pa の一部で大きめの数値が算出されたものの顕著な差異は認められず、長波長成分である影響は軽微であった。また、評価長さにおける最高部と最深部の合計である最大断面高さ Pt は0.8～1.8μm程度、最大谷深さ Pv は0.4～0.8μmであった。
表面粗さの数値データは下表にて一覧を示す。
また、上表中の測定方向の矢印の定義を下図に示した。
表面光沢度測定
横軸に FRP平板名称、縦軸に当該平板の光沢度測定の平均値をプロットしたグラフを下図に示す。外観状態の昇順に30から80GU程度まで上昇し、外観が良好なものがより高い光沢度を示した。
光沢度の個別値を下表に示す。測定位置のアルファベットは右図の測定位置に対応する。標準偏差は1.73～4.00を示しており、特に光沢度の低い試験片については IV FRP surface gloss A については、CV値で12%程度であることから、本測定にはある程度のばらつきが存在することが明らかとなった。
考察
FRP外観定量評価への光沢度適用について
外観状態の異なる4水準のFRP平板について、表層の光沢度平均値には差異が認められた。一方で、本計測結果にはCV値で10%を超えるばらつきも含まれているため、その点を踏まえた解釈が必要である。
そこで、各水準9個の個別データを母集団と仮定し、各母集団の平均値に有意差があるかを一元配置分散分析で確認した。計算にはExcelを使用し、有意水準は0.05とした。結果を以下に示す。
観測された分散比はF境界値より大きく、P値も0.05を下回った。このことから、グループ内のばらつきよりも、FRP平板水準の違いによる影響が支配的であることが裏付けられた。
以上より、光沢度はFRP外観評価の定量指標として有効であると考えられる。
FRP外観定量評価への表面粗さ適用について
今回得られた表面粗さの測定値は、外観状態が良好になるにつれ低下する傾向がみられた。表面粗さパラメータの最大値は、Ra 0.25μm、Rz 1.8μm、Pa 0.4μm、Pz 1.8μm、Pt 1.8μm、Pv 1.0μmであった。これらの値以下の表面粗さが、外観で光沢を実現するための必要条件であることが示唆される。
しかし、光沢度のような明確な相関関係は、表面粗さデータの分布からは確認できなかった。粗さパラメータごとに挙動が異なり、計測データを直接比較するだけでは、外観状態の違いを適切に表現できる指標かどうかを判断しにくい。
そこで、外観状態の違いを個別値ではなく変化率の観点から捉え、各粗さパラメータが外観変化をどの程度反映するかを検討した。結果を下図に示す。
変化率にはばらつきが大きく、特定の粗さパラメータが一貫して高い感度を示したとは言えなかった。したがって、表面粗さはFRP外観状態と明確な相関を示さず、FRP外観定量評価の指標としては適用が困難であると判断する。
まとめ
FRP外観定量評価手法の構築を目的に、外観状態の異なるFRP平板を用いて表面粗さと光沢度を評価した。その結果、光沢度はFRP外観状態と相関を示した一方、表面粗さでは当該関係を確認できなかった。
表面粗さは、はめ合い時の干渉回避や空力性能といった設計要件には有用な定量指標であるが、官能指標である外観要件への適用は困難であることが明らかとなった。
一方で光沢度は、FRP外観状態と明確な相関を示した。この知見を活用し、FRP外観要件を定性的な表現ではなく、光沢度という定量指標を用いて図面要件として整理し、評価・管理していくことが重要である。
今回の結果が、感覚論で語られやすいFRP外観要件の定量化に向けた一つの知見として、FRP業界全体に役立つことを期待している。
