Development of functionally graded 4D printing method for glass fiber reinforced shape memory composites
| Project/Area Number |
20K14630
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
酒井 康徳 芝浦工業大学, システム理工学部, 准教授 (70774769)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
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| Keywords | 複合材料 / 形状記憶材料 / 3Dプリント / 生産加工 / 機能性材料 / トライボロジー / 繊維複合材料 / 積層造形 / 傾斜機能材料 / ポリマー / 射出成形 / 長繊維複合材料 / 付加製造 / 4Dプリンティング / 有限要素解析 |
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| Outline of Research at the Start |
近年，熱を加えることで形状を自在に制御可能な形状記憶ポリマ（SMP）が，様々な産業分野で注目されている．一方で，形状記憶/回復特性を損なうことなく，SMPの機械的強度や耐摩耗性，耐熱性を向上させることが課題となっている．また，部分的に形状記憶/回復特性や材料物性を変化させたいというニーズが高まっている．そこで本研究では，高い材料選択自由度を有し，傾斜機能特性を付与できる新たな複合材料用3Dプリント技術「FAAM（Filament Added Additive Manufacturing）」と，それを用いたクラッドコア構造を有する新たなガラス繊維強化形状記憶ポリマ「GFR-SMP」を開発する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，傾斜形状記憶部品の創成が可能な新規複合材料の3Dプリント技術FAAM（Fillament Added Additive Manufacturing）の確立および，それを用いたガラス繊維形状記憶ポリマGFR‐SMPの開発を目的とする．
令和４年度は，繊維切断を行った後，再度ノズルから安定的に繊維を供給する方法や，繊維へのマトリクス樹脂の含浸状態が不十分になる課題を中心に改善にむけた検討をおこなった．具体的には，現在はスクリュ軸中心から供給している繊維の供給方法の再検討や，含浸プロセスや含浸機構の再設計である．まず，繊維と樹脂の供給方法として，ダブルスクリュ機構を新たに検討した．2本のスクリュを並列に並べ，その間にある微小隙間に繊維を供給することで，従来よりも含浸圧力を高めるとともに，含浸プロセスに要する距離を長くし，効果的な含浸を目指した．含浸不足は改善されることは確認できた．また，樹脂流れにそって繊維始端が自己流動により供給されていくようになることが一部確認できた．しかし，隙間内で繊維が左右にブレが生じ，クラッド材とコア材との間でムラが生じることが確認された．これについては，スクリュー間の隙間量を調整することや，スクリュ回転数を変更することにより圧力の調整をすることを検討する予定である．
令和4年度は，この含浸プロセスに関する検討に多くの時間を割いた．したがって，令和5年度に試験片による強度試験と機能性構造物の試作評価を行う予定である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和4年度は，この含浸プロセスに関する検討に多くの時間を割いた．したがって，令和5年度に試験片による強度試験と機能性構造物の試作評価を行う予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度に行う予定だった内容の一部を，令和5年度へ持ち越すこととした．したがって，本研究課題の最終年度となる令和5年度には，実際にFAAMで製造した複合材料の機械的特性や変形挙動が，シミュレーションによる結果とどの程度一致するのかを比較検討する．具体的には応力ひずみ線図や熱-力学サイクル実験等により特性比較を行う．さらに，テーブルやノズルの温度，スクリュー回転速度などの加工条件が，造形物の特性に与える影響についても評価する．クラッド-コア比を変えるために繊維直径を変えた造形を行い，クラッド-コア比の変更による傾斜機能組成の実現にチャレンジする．
最終年度となるため，これまでに得られた成果や知見を学術論文という形でアウトプットするとともに，FAAM技術のさらなる高度化に向けた課題の洗い出しや，具体化を行っていきたいと考えている．また，本研究課題によって得られた知見を下に，フィラメント材料を複合した傾斜複合材料の積層造形技術の理論体系化を図るとともに，今後の繊維傾斜記憶材料の応用利用についても検討する．
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Report
(3 results)
Research Products
(9 results)
