Grapheneを適用することで高精度キャスティングを実現したCFRP製フライロッド
FRPが古くから用いられている用途の一つである釣り竿。
細くても強くてしなることが求められる用途材料として、
FRPは強度や剛性を設定できるその設計柔軟性が評価されているものと考えます。
今回は釣り竿の中で毛ばりを用いたフライフィッシングに用いられるCFRP製釣り竿（フライロッド）に、
Grapheneを用いたことについてご紹介します。
なお、Grapheneについてお知りになりたい方は、
”Graphene を熱可塑性発泡ポリウレタンに添加した 安全靴 の保護材へ適用”をはじめとした、
最後に掲載した関連コラムをご参照ください。
フライフィッシングとは
Photographed by Pablo Gutierrez
フライフィッシングについては、以下のサイトを参考にしました。
主に”毛ばり”をおとりとして魚を釣るもののようです。
西洋から伝わったもので、
水棲昆虫を模した毛ばりを水面に浮かべ、
流れやうねりで昆虫（または餌になるようなもの）が動いているように見せかけ、
それに食らいついた魚を釣ることを指していると理解しています。
フライロッドは使用するフライラインによって番手管理される
フライラインは釣り糸を指すようです。
色分けされているものが多く、
主としてどのくらいの重さの魚を釣るかを想定して選定するようで、
番手が付けられています。
浮く、沈む等のタイプもわかれるとのこと。
そしてこのフライラインの番手に応じて、
適用できるロッド番手が決まります。
ロッドの番手は#1から15まであるようです。
フライフィッシングで重要なキャスティング精度
フライフィッシングをする釣り師にとって重要となるのが、
「毛ばりを狙った位置に落とすこと」
です。
キャスティングと呼ばれるようですが、
ようは釣り竿（以下、ロッド）を振って毛ばりを遠投するイメージです。
釣り師がロッドを振ることでしならせ、
その反動となる回復力で毛ばりを飛ばすことから、
「キャスティングにおいて釣り師の力を無駄なく毛ばりに伝える工程で、
ロッドは常に安定したしなりと回復力を発現すること」
が求められます。
上述の現象はまさに材料の弾性変形であり、
素材であるCFRPの材料特性、特に弾性率が重要なことはもちろん、
CFRPを含むFRPが有する異方性を制御し、
不要なねじり変形を抑制するという設計思想が不可欠です。
この設計業務では構成材料の最適化は必須ですが、
今回はここにGrapheneを用いたST. CROIXとその技術のご紹介後、
Graphene添加の設計的狙いを考えます。
CFRP製フライフィッシングロッドにGrapheneを適用したST. CROIXとは
釣りをやる方にとっては有名な企業なのかもしれませんが、
ロッドにGrapheneを適用したのはST. CROIXです。
この企業は釣り師の要望に応えられるよう、
CFRP製ロッドを多数そろえています。
ST. CROIXの有する主たる技術
ST. CROIXはロッドに適用する材料、製造技術について名称をつけています。
代表的なものをご紹介します。
材料について/強化繊維
材料については以下のサイトを参照しました。
SCIV+
次世代の高弾性率炭素繊維で、ハイエンド向けの用途を想定しているとのこと。
高弾性率とのことで変形を抑制し、
そこからの回復力を高めたい場合に適用すると考えます。
これは2023年リリースの最新素材のようで、
以下のような紹介動画もあります。
ユーザに合わせたカスタムメイドが製品の本質である、
という強い意志を感じます。
また以下のページの画像にもあるように、
SCIV+は単独の炭素繊維を指しているのではなく、
後述するSC VIとSC IVを組み合わせた複数構成である材料を示していることが触れられています。
ST. CROIX TECHNOLOGY THAT ELEVATES PERFORMANCE SCIV+
https://stcroixrods.com/blogs/news/st-croix-technology-that-elevates-performance-sciv
SC VI Exotic
こちらは超高弾性率の炭素繊維の事を指しているようです。
高弾性率の一方で、高ひずみにも耐えられると書かれています。
ただあまりにも弾性率が高いため、これ単体では使わず、
他の炭素繊維とのハイブリットで使うことを想定しているようです。
ハイブリッドで使うことについては、
SCIV+の解説でも触れました。
SC V Extraordinary
スクリム形態の織物です。
ロッドの軽量化と高強度化に貢献できると書かれています。
織物なので長手方向だけでなく、
周方向を補強する狙いがあると推測します。
これ以外にも前世代や汎用用途に関する繊維があるようですが、
他をご覧になりたい方は参照元の情報をご参照ください。
炭素繊維だけでもこれだけのラインナップをそろえていることからも、
強化繊維の選択だけでも高い設計自由度を有していると実感いただけるかもしれません。
材料について/樹脂硬化・カッティング・成形
Fortified Resin System（FRS）
一言でいうと熱硬化性樹脂の硬化管理システムのようです。
温度を主とした樹脂硬化工程を最適化し、
レイアップ後のCFRPがむらなく硬化することを狙っています。
FRSによる硬化システム最適化によりCFRPの強度が33%向上したと、
後述で参照するComposite Worldの記事にも書かれています。
これは推測ですが、誘電率計測や熱分析によって硬化をモニタリングしているのかもしれません。
目に見えない化学的知見がFRPには必須ということを感じていただける内容です。
本技術については以下のような動画も存在します。
Integrated Poly Curve （IPC）
フライフィッシングのロッドは、複数の部品が締結された構造です。
ST. CROIXの製品群では、主として4分割されているものが多いとのことです。
IPCというのはこの締結部に不可避な、
「テーパー形状設計」
の事を指しています。
長手方向に対してできるだけ急激な内径変化をさせず、
ロッドがしなった時の荷重伝達を無駄なく実現することが、
その狙いにあるようです。
分割部品で構成されているにもかかわらず、
均一な形状にいかに近づけるがポイントだと考えます。
こちらについても動画が存在します。
上記のイメージをわかりやすく説明している印象です。
Advanced Reinforcing Technology （ART）
一言で言えば周方向のロッド強度を高める技術です。
フライフィッシングでは長手方向だけの変形を想定するのは当然ですが、
大変形を想定すれば局所領域であっても面外変形を無視できなくなります。
このような状況で破壊が生じない様、
ロッドの長手方向だけでなく周方向に強化繊維を配向させ、
面外強度を高めるのが狙いにあるようです。
もしかすると強化繊維の所で述べたSC V Extraordinaryを使っているのかもしれません。
本技術についても動画が存在します。
面外変形試験（円筒形状の圧縮試験）を目の前でやるというのはわかりやすくていいと思います。
ただ、FRP設計を担う方々はこの試験にあまり意味がないことを理解しなくてはいけません。
複数モードの破壊試験ではFRP特性は何もわからないからです。
材料試験というのは必ず単一荷重モードで行うべきということ改めて述べておきます。
Taper Enhancement Technology (TET)
テーパー形状を無駄なく実現するための、
CFRPカットパターンを指しています。
CFRPに限らず、連続繊維を強化繊維とするFRPはシート形状のものが殆どです。
これを積み重ねて三次元形状物に成形しますが、
ここで重要なのがカットパターン。
シート状の二次元形状を三次元形状にすることの理解には比較的高度な空間認識力が必要で、
その力が発揮されるのがカットパターン設計と言えます。
ロッドでいえば平面のシートをテーパー形状を有するマンドレルに巻き付けるにあたり、
”しわ”や”よれ”が生じないようにするにはどうすべきか。
この検討技術がTETのイメージとなります。
以下のサイトを見ると、細長い扇型のようなカットパターンで裁断されているのがわかります。
ST. CROIX TECHNOLOGY THAT ELEVATES PERFORMANCE / TET
https://stcroixrods.com/blogs/news/st-croix-technology-that-elevates-performance-tet
ロッドへのグラフェンの適用
以下の記事も参考にしながら話を進めていきたいと思います。
Mito Materials graphene amplify composite fly fishing rod performance
Grapheneと組み合わせたのはSC VIシリーズの炭素繊維
Grapheneを組み合わせたのは高弾性率のSC VIシリーズの炭素繊維のようです。
ここに高品質のSC IIという繊維を組み合わせていると述べられています。
Grapheneは強化繊維とマトリックス樹脂が一体化したプリプレグに、
直接添加しているとのこと。
詳細は述べられていませんが、
マトリックス樹脂に予めGrapheneを混錬して繊維に含浸させるか、
含浸工程における樹脂含浸直前に強化繊維とマトリックス樹脂の間に、
舞わないような工夫をした上で添加している可能性もゼロではありません。
Graphene添加による効果
参照したComposite Worldの記事によると、
「total weight-loading accuracies within 0.01%,
delivering radical hoop strength, optimized loop stability and complete accuracy. 」
とのことで、ロッドの比強度を高精度で維持するため、
Grapheneによる周方向の補強効果で断面形状維持を実現した、
ということが趣旨だと考えます。
形状物の断面剛性は断面形状維持精度に依存するため、
上記の考え方は構造設計の基本と言えます。
加えてねじり変形に対する剛性を高めることにGrapheneが貢献するようで、
結果的にロッドがしなった後の形状回復速度向上につながるとも書かれています。
Grapheneを適用したロッドのラインナップ
現状では淡水向けで#4から8に該当する14製品、
海水向けで#6から12の7製品をそろえているようです。
これから順次広がっていくのかもしれません。
最後に技術的なポイントに触れたいと思います。
Graphene添加最大の目的は断面剛性の向上
Graphene添加の狙いは従来、耐衝撃性や衝撃吸収性の向上でした。
それが今回のケースでいうと、
「断面剛性の向上」
に特化しているのが特徴です。
フライフィッシングのロッドのしなりが一定であることは、
毛ばりを狙い位置に飛ばすのに必須の観点です。
異方性を有するCFRPを使う以上、
その異方性を無くそうとすれば異なる複数繊維配向の材料が必要となり、
結果として成形体を構成する積層材料枚数が増えるため厚く、重くなる。
これでは釣り師の使い勝手が低下してしまうでしょう。
このジレンマを乗り越えるため、
マクロスケールでは異方性を有しないGrapheneを添加してCFRPの異方性を低減させた、
というのが設計思想であると推測します。
ロッドの断面のように限られた微小空間でFRPの異方性低減を実現するのは、
FRP設計者として永遠の課題の一つとも言えます。
今回のようにGrapheneを添加し、
強化繊維の配向していない方向を強化するというのは、
参考になる手法の一つといえるでしょう。
ご参考になれば幸いです。
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