Design and fabrication of multilayered sheet by metallic face and composite core with three-dimensional periodic structure

• Project/Area Number: 20H00300
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 柳本 潤 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90220194)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥36,270,000 (Direct Cost: ¥27,900,000、Indirect Cost: ¥8,370,000); Fiscal Year 2024: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2021: ¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000); Fiscal Year 2020: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
• Keywords: 複合材料 / 金属シート / ３次元周期コア / トポロジー最適化 / 3Dプリンタ / 三次元周期コア

Outline of Research at the Start

複層構造は、優れた機械的特性を発現する構造である。本研究では、金属被覆材（フェースシート）に挟む連続／非連続炭素繊維CFRPコア材の３次元幾何構造を制御することで、多様な力学特性を持つ薄板材料を創造し、製作し、評価することを目的とする。この複層構造は従来の航空機用ハニカム構造とは異なり、航空機と自動車の中間に位置づけられる電動の「空飛ぶ自動車」といった国内生産数万台の規模に耐える高生産性を有しつつ、軽量高剛性構造を実現できる特徴がある。。

Outline of Annual Research Achievements

複層構造は、優れた機械的特性を発現する構造である。本研究では、金属被覆材（フェースシート）に挟む連続／非連続炭素繊維CFRPコア材の３次元幾何構造を制御することで、多様な力学特性を持つ薄板材料を創造し、製作し、評価することを目的とする。具体的には、
1）メタルフェースと３次元周期構造を持つ樹脂あるいは炭素繊維強化複合材料コアからなる複層構造の、コア構造を最適化する方法　2）得られた構造を熱溶解式3Dプリンタ（樹脂あるいは熱可塑性短炭素繊維強化複合材料（CFRTP）を模擬）ならびに光造形式3Dプリンタ（熱硬化性長繊維強化複合材料CFRPを模擬）造形しフェースシートを接合したプロトタイピング　3）以上で提示されたコアを、樹脂または炭素繊維強化複合材料の、デジタルサーボプレスと金型を利用した温間スタンピング成形で作製しフェースシートと接着して薄板化の、３つの段階（ステージ）を研究対象とする。
コアの3次元立体構造の決定にはトポロジー最適化を利用し、最適化された構造の造形には３Dプリンタを用い、フェースシートとの接着は曲げ剛性評価には、既存設備であるオートクレーヴやサーメックマスターを利用する。一連の研究を通して、機械的特性（強度）と二次加工性（延性）という、相反する特性を同時に満足させる方法について検討を実施する。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2023年度は、以下の２件のサブテーマを実施した。
(1)マイクロストラクチャ階層コアサンドイッチシートの機械的特性と成形性
成形性の高いサンドイッチシートのためのコア構造としてマイクロストラクチャ階層コアを提案した．この構造は，ユニットセルであるマイクロストラクチャで層を作り，異種層を重ねることでできる多層構造のコアである．多層にすることで，マイクロストラクチャの構造および階層パターンにより特性を制御できる．例えば，多層構造において外側の層は密度の高いマイクロストラクチャ，内側の層は密度の低いマイクロストラクチャを用いることで，比剛性の高いサンドイッチシートを作製可能である．本研究では剛性を保ちつつ高い成形性を実現させることを目的とする．サンドイッチシート全体として大きな曲率の曲げ成形を可能とするため，二次成形中，多層構造うち一部の破壊を許容する．そうすることで，他の層およびフェイスでの変形量を軽減し二次成形後，一定程度の剛性を保つことが可能である．作製したマイクロストラクチャ階層サンドイッチシートは，機械的特性の調査のための 3 点曲げ試験および成形性の調査のための L 字曲げ試験および逆曲げ試験を実施した．二次成形された試験片は再度 3 点曲げ試験を実施することで，二次成形後の機械的特性を調査した。
(2)マルチマテリアルサンドイッチシート
コア・フェイスシートと比較して低強度な充填材を含めたサンドイッチシートを一体で成形し，充填材の種類や充填材分布を制御することでサンドイッチシートの機械的特性の変化を調査することを目的とした．充填材を含むマルチマテリアルサンドイッチシートを成形した．評価には 3 点曲げ試験を実施し，コア～フェイスシートの接着部での変形やはく離の影響を曲げ特性の変化によって調査する形とした．さらにその変化の要因を，3 点曲げの有限要素解析により調査した。

Strategy for Future Research Activity

最終となる2024年度には、計画通りに、熱硬化性樹脂を利用したコアメタルサンドイッチシートの創製や、逐次成形したコアとメタルフェースシートとを接着したシート材の機械的特性の評価を行う。また、ストラタシス社のマルチマテリアルプリンタにより3D構造を造形し、コア材料の構成が曲げ強度や成形性、さらにメタルフェースシートとコア材料の接合性におよぼす影響につぃて、包括的な検討を行う。メタルフェースシートは、t0.3mm程度の純チタン薄板とする。
研究成果は今までと同様に国際学術誌論文への投稿および掲載を進めていく。

Research Products

• [Journal Article] Improving the formability of sandwich sheets by the hydrostatic effect of encapsulated media (2023)
  • Author(s): Shibuya Yuki、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: International Journal of Material Forming Volume: 16 Issue: 4
  • DOI: 10.1007/s12289-023-01768-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Additive manufacturing assisted fabrication of octet truss structures using continuous carbon fibre composites and the resulting mechanical responses (2023)
  • Author(s): Zhang Jingwei、Zhao Tianhao、Yi Yushi、An Qinglong、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: Journal of Materials Processing Technology Volume: 319 Pages: 118089-118089
  • DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2023.118089
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Integral forming of continuous CFRP sandwich sheet by additive manufacturing (2023)
  • Author(s): Nishi Kazusa、Sato Yuji、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: International Journal of Material Forming Volume: 16 Issue: 6
  • DOI: 10.1007/s12289-023-01788-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evaluation of the mechanical properties and deformability of metal-based composite sheets made of thin stainless-steel sheets and carbon fiber reinforced plastics (2022)
  • Author(s): Shibuya Yuki、Zhang Jingwei、Sato Yuji、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: International Journal of Material Forming Volume: 15 Issue: 4 Pages: 47-47
  • DOI: 10.1007/s12289-022-01661-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhancement of mechanical property and formability of CFRP core sandwich sheets by additive manufacturing process-induced material and structural anisotropies (2022)
  • Author(s): Shibuya Yuki、Zhang Jingwei、Sato Yuji、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: Journal of Materials Processing Technology Volume: 310 Pages: 117778-117778
  • DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2022.117778
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bending properties of sandwich sheets with metallic face sheets and additively manufactured 3D CFRP lattice cores (2022)
  • Author(s): Zhang Jingwei、Ding Sheng、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: Journal of Materials Processing Technology Volume: 300 Pages: 117437-117437
  • DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117437
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Homogenization-based topology optimization integrated with elastically isotropic lattices for additive manufacturing of ultralight and ultrastiff structures (2021)
  • Author(s): Zhang Jingwei、Sato Yuji、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: CIRP Annals Volume: 70 Issue: 1 Pages: 111-114
  • DOI: 10.1016/j.cirp.2021.04.019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rapid fabrication of 3D CFRP parts by hot forming of pre-cured CFRP sheets (2021)
  • Author(s): Zhang Jingwei、Taylor Tom、Shukla Love、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: Composite Structures Volume: 268 Pages: 113942-113942
  • DOI: 10.1016/j.compstruct.2021.113942
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mechanical properties and cold and warm forming characteristics of sandwich sheets with a three-dimensional CFRTP core (2021)
  • Author(s): Zhang Jingwei、Taylor Tom、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: Composite Structures Volume: 269 Pages: 114048-114048
  • DOI: 10.1016/j.compstruct.2021.114048
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Topology optimization of CFRP hierarchical pyramidal structures fabricated by additive manufacturing (2021)
  • Author(s): Zhang Jingwei、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: Composites Part B: Engineering Volume: 224 Pages: 109241-109241
  • DOI: 10.1016/j.compositesb.2021.109241
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Density-based topology optimization integrated with genetic algorithm for optimizing formability and bending stiffness of 3D printed CFRP core sandwich sheets (2021)
  • Author(s): Zhang Jingwei、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: Composites Part B: Engineering Volume: 225 Pages: 109248-109248
  • DOI: 10.1016/j.compositesb.2021.109248
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Topology optimization of microlattice dome with enhanced stiffness and energy absorption for additive manufacturing (2021)
  • Author(s): Zhang Jingwei、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: Composite Structures Volume: 255 Pages: 112889-112889
  • DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.112889
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Homogenization-based topology optimization integrated with elastically isotropic lattices for additive manufacturing of ultralight and ultrastiff structures (2021)
  • Author(s): Zhang Jingwei、Sato Yuji、Yanagimoto Jun
  • Journal Title: CIRP Annals - Manufacturing Technology Volume: 70/1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Additive Manufacturingを用いた連続繊維CFRPサンドイッチシートの一体成形 (2023)
  • Author(s): 西和翼、佐藤悠治、柳本潤
  • Organizer: 日本塑性加工学会 第74回塑性加工連合講演会
• [Presentation] ステンレス／CFRPハイブリッド薄板構造の接合強度に基づく決定 (2022)
  • Author(s): 柳本潤、中嶋亮太朗
  • Organizer: 日本鉄鋼協会第184回秋季講演大会
• [Presentation] ステンレスフェイスシートとCFRPコアからなるサンドイッチ構造の設計と評価 (2022)
  • Author(s): 渋谷祐紀、張敬偉、佐藤悠治、柳本潤
  • Organizer: 日本塑性加工学会第73回塑性加工連合講演会
• [Presentation] マルチパス圧延によるCFRPラミネートの新しい製造方法 (2022)
  • Author(s): SETYAWAN Dani、渋谷祐紀、西和翼、佐藤悠治、柳本潤
  • Organizer: 日本塑性加工学会第73回塑性加工連合講演会
• [Presentation] 積層造形された弾性等方性格子とメタルシートからなる超軽量・超剛性構造の均質化法によるトポロジー最適化 (2021)
  • Author(s): 張 敬偉、柳本 潤
  • Organizer: 2021年度第72回塑性加工連合講演会
• [Remarks] 東京大学柳本研究室ホームページ
  • URL: http://www.cem.t.u-tokyo.ac.jp/