セルロースナノファイバーの積層造形に適する連続繊維配置設計法の構築と製作物の評価
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20K04227
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18030:Design engineering-related
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
舘野 寿丈 明治大学, 理工学部, 専任教授 (30236559)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
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| Keywords | アディティブマニュファクチャリング / 曲面積層 / 連続繊維 / セルロースナノファイバー / 生分解性 / 双腕ロボットアーム / 造形パス / セルロースファイバー / ロボット積層造形 / 積層造形 / 繊維配置 / 位相モデル |
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| Outline of Research at the Start |
セルロースナノファイバー(CNF)は紙や木材をナノサイズにまで細かくした繊維であり、強度が高く軽量で、しかも自然に優しい素材であることから、次世代の材料として注目を集めている。そこで申請者らは、CNF材料を糸状の連続繊維にして積層造形する方法を考案し、製作に成功した。しかし強度が繊維の向きによって大きく異なるので、強度設計法の確立が急務である。本研究では、強度が得やすくなるよう、物体を包み込むように繊維を配置する曲面積層法を採用した上で、目的の強度に見合う繊維配置設計法を構築する。さらに、計画された配置方法に従って６軸ロボットで物体を製作し、実際に強度評価を行って設計法の有効性を検証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本申請課題では生分解性を有するセルロースナノファイバー（CNF）材料を機械部品に実用するための製造方法として、連続繊維と樹脂との複合材料を積層造形する方法に着目し、この製造方法に適する繊維配置設計法の確立を目指すとともに、これを実現する造形システムを開発して製作物を評価することを目的とする。造形システム開発には、設計された繊維の位置と方向に合わせる造形パス設計法と、連続繊維を切らずに表面を包み込むように積層する曲面積層法の開発が含まれる。
目的の実現に必要なソフトウェアとして、申請当初は、スライスアルゴリズム、強度モデル変換アルゴリズム、造形パス生成アルゴリズムを想定した。しかし、研究を進めていく中で新たな展開があり、コンピュテーショナルデザイン（CD）技術の利用を含めた研究を行った。CDは、コンピュータプログラムによって形状をモデリングする技術であり、複雑な形状の生成が可能になる。この特長を活かし、工具パスをプログラムによって直接に作成し、これと同時に全体形状を生成するアルゴリズムを考案した。この方法により、一層分であるものの、オーゼティック構造など複雑な工具パス設計も可能になった。また、この工具パスデータを市販の3D-CADに取り込んで、強度シミュレーションすることも可能にした。
造形システムの開発としては、６軸ロボットアームの先端にエクストルーダを設置して曲面積層することを可能にした。さらにはロボットアームを双腕にして軸数をさらに増やし、物体の表面を包み込むように積層する機能実現の試みも行った。
CNFの連続繊維複合材料については、連続繊維の製作法を改良した上で、CNF連続繊維とポリ乳酸（PLA）とで複合繊維フィラメントを製作し、通常のエクストルーダを使って造形することに成功した。さらに、板状の製作物の引張試験を行ったところ、PLA単材料よりも高強度を得ることが確認できた。
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Report
(4 results)
Research Products
(22 results)
