2017 Fiscal Year Research-status Report
Design and Fabrication Method of High-Precision and High-Strength Structures with Cellulose Nanofiber for Additive Manufacturing
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17K06126
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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) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 設計工学 / 機械工作・生産工学 / 構造・機能材料 / アディティブマニュファクチャリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，機械的特性、環境対応いずれにも優れた材料であるセルロースナノファイバー(CNF)を用いた構造物設計製作法として、対象物の内部をユニットセルとして設計し、これを積層造形法によって製作する方法の確立を目的としている。
平成29年度は、当初の計画に従って、(1)CNF材料の準備、(2)単純形状の造形、(3)収縮評価、(4)機械的特性評価 について研究を実施した。CNF材料の準備においては、CNFの自作を試み、パルプ材を超音波加振機によって破砕し、これを乾燥させてシート状の試料を作成した。乾燥時の変化を目視観察し、収縮評価とした。続いて、シートを短冊状に分割して引張試験を行い、機械的特性評価とした。さらに、この短冊状の試料とABS樹脂との複合材料として造形できる加工装置を新たに開発し、単純形状の造形を行った。
これらの結果、CNFの自作は可能であったものの、破砕および乾燥の工程が強度に大きく影響を及ぼすことが分かった。また、シート状のCNF材料を用いて樹脂との複合材料として造形する方法はCNFを用いた構造物製作法として有効であることが分かった。
加えて、次年度に予定されているユニットセル構造体の実験に備え、ユニットセル構造体の特性評価や、CNFの代わりにカーボンファイバー複合材料を用いたユニットセル構造体製作の試験も行った。カーボンファイバー複合材料の試験では、連続繊維のカーボンファイバー配向方法の違いが引張強度に及ぼす影響についても実験的に評価した結果が得られており、CNF複合材料の試験結果との比較に利用できる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
CNF材料は自作できたが、製作物は安定せず、この試料を用いた試作物の造形や造形物の実験的な評価結果を十分に整理するまでには至らなかった。しかしながら、シート状のCNF材料を用いて造形する装置を開発し、単純形状ながら造形に成功したことは計画以上に進展した部分である。これは、開発のベースとなったカーボンファイバーを用いた複合材料の造形機を扱う中で新たに着想を得て工夫された造形方法である。今後、機械的特性の安定したCNF材料を製作もしくは調達することができれば、今回開発した装置をそのまま使用し、造形実験を行うことができる。
また、次年度に予定されているユニットセル構造体の実験に備え、シミュレーションによる特性評価や、カーボンファイバー複合材料による試作および評価は、計画以上に進展した部分である。
以上のことから、総合的には、おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は、CNF材料を用いたユニットセル構造体の設計製作手法が課題となる。まず市販のCNF材料を調達し、機械的特性の安定したシート状CNF材料の製作方法を確立する。次に、この素材と樹脂との複合材料を用いて、既に開発した造形装置により単純形状物体を造形し、機械的特性を評価する。その上で、同じ方法によってユニットセル構造体を造形し、機械的特性を評価する。単純形状の造形とユニットセル構造体の造形との違いは、ユニットセル構造体ではCNF材料の切断プロセスが、セルの区切り毎に入ることである。適切な位置で即座に切断する機構を開発することが、製作方法の研究として必要となる。また、積層造形による構造物では、一般に物体をユニットセル構造体とすることで、精度よく軽量に造形できるようになる。ユニットセル構造体として製作可能な条件、および繊維の配向方向が強度に及ぼす影響を明らかにしたうえで、要求される荷重に耐えうる形状の導出方法を整理することが設計方法の研究となる。
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