Design Optimization for New Functional Structures Fabricated by FRP-AM

Research Project

Project/Area Number	21J10589
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Single-year Grants
Section	国内
Review Section	Basic Section 18030:Design engineering-related
Research Institution	Meiji University
Principal Investigator	神保康紀明治大学, 明治大学大学院理工学研究科, 特別研究員(DC2)
Project Period (FY)	2021-04-28 – 2023-03-31
Project Status	Declined (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000) Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords	積層造形法 / 材料押出法 / Additive Manufacturing / CFRP / 構造最適化
Outline of Research at the Start	炭素繊維強化複合材料（CFRP）を使用した積層造形は，高強度な機械部品の安価な製作が可能である．柔軟な材料からなる構造の内部に繊維強化材料を適切に配置することで，所望の機能を生む柔軟性と十分な強度を併せ持つ機能構造の製作が可能になるが，その効率的な設計手法は確立されていない．そこで本研究は，計算機によって所望の機能を実現する構造の効率的な設計法の確立を目的とする．母材からなる構造と強化繊維材料を簡潔な幾何学要素で近似し，遺伝的アルゴリズムなどの進化計算手法を用いて構造を最適化する．
Outline of Annual Research Achievements	本研究は，CFRPなどの繊維強化材料を使用した材料押出法の積層造形によって，従来の加工方法では実現できない高機能な機械部品を製作するための最適化設計法の確立を目的とした．令和3年度は，母材からなる構造と，その内部の繊維強化材料の配置を同時に，効率的に最適化する方法について研究を行った．まず，従来の構造最適化法における，繊維強化材料の連続性を考慮しつつ構造と繊維配置を同時に最適化することは困難であるという課題に対し，構造と繊維配置を幾何学グラフで表現する最適化法を提案した．また，効率的に最適化を行うため，目的の機能に応じて最適化アルゴリズムを適切に選択する必要があることを示した．提案手法の有用性を評価するため，CFRPを使用した材料押出法を前提とし，次の2つの設計対象について提案手法を適用した．1つ目は自転車のブレーキレバーであり，要求強度を満たしつつ構造を軽量化することを最適化の目的とした．構造と繊維配置を一次元配列の染色体に符号化し，遺伝アルゴリズムを用いて最適化を行った．2つ目はコンプライアントメカニズムを持つグリッパであり，入力荷重下での変形の制御を最適化の目的とした．構造と繊維配置を二分木に符号化し，遺伝プログラミングを用いて最適化を行った．これらについていずれも，構造と繊維配置を同時に，効率的に最適化できることを確認した．また，最適化によって得られた構造はCFRPを使用した材料押出法によって実際に製作できることを確認した．これらの成果は，国際会議での発表および，国際学術雑誌で論文発表を行った．
Research Progress Status	翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。