in-situ加熱成形がCFRPの機械的特性に及ぼす影響

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K14573
• Research Institution: Kagoshima University
• Principal Investigator: 田淵 大介 鹿児島大学, 理工学域工学系, 助教 (10633282)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: CFRP / フィラメントワインディング / 熱硬化

Outline of Annual Research Achievements

本課題では，FW法を用いたCFRP の成形において，in-situ 加熱成形でのプロセス因子がCFRP の機械的特性に及ぼす影響を明らかにすることを目的とし，成形時に特に重要と思われる，繊維張力，積層速度および加熱温度がCFRP 中の繊維の状態（配向度，残留応力）と強度に及ぼす影響を評価する．平成29年度は繊維層の変形を考慮したFW成形モデルの構築と，繊維層での樹脂の流動特性の測定を行った．FW成形モデルについては，まず樹脂流動と硬化反応を除いたモデルを構築した．巻き締めにより繊維層が固くなる現象を半径方向の繊維層弾性率が応力によって変化するモデルとして表現し，シミュレーションプログラムの作成を行った．作成したプログラムを用いて従来行った実験でのパラメータを用いて繊維応力の計算を行った結果，樹脂流動を考慮しない場合では巻き付け繊維張力による積層済み繊維の繊維方向の応力低下の幅は想定よりも小さくなり，このままでは実際の強度低下を説明できないことがわかった．また，繊維層での樹脂の流動測定においては，繊維に直角な方向への樹脂流動について，樹脂圧力と流速の関連を評価した．その結果，繊維層の密度の違いが樹脂流速に大きな影響を及ぼすことが明らかとなり，積層時の繊維幅の制御が重要であることがわかった．また，実際の積層においては，積層直後の樹脂流動が繊維束側方にも発生することから，これらの樹脂挙動についても測定を行い，成形パラメータとの関連を調べた．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

平成29年度の計画としては，(1) 「樹脂マトリクスの流動および硬化反応と繊維層の変形を考慮したFW成形モデルの構築を行う」，(2)「繊維層の面外方向弾性率および樹脂の流動特性の測定を行う」という計画を立てていたが，(1)のFW成形モデルの構築においては，モデルの基本的な構造は確立できたが，樹脂流動と硬化反応プロセスのモデル化に時間を要している．(2)の樹脂の流動特性の測定においては，(1)のFW成形モデルでの計算に必要な繊維中の初期樹脂量を推定するために積層直後の樹脂挙動を知る必要が出てきたため，これらを測定する実験を追加で実施し，積層パラメータとの関連性を調べた．これらのことから，研究計画に若干の遅れが生じている．

Strategy for Future Research Activity

FW法を用いたCFRP の成形において，in-situ 加熱成形でのプロセス因子がCFRP の機械的特性に及ぼす影響を明らかにするため，平成29年度に計画していた項目のうち未完の項目と，平成30年度に計画している項目を実施予定である．まずFW成形モデルに樹脂流動および硬化反応プロセスを導入し，シミュレーションプログラムの作成を行う．作成したプログラムを基に，成形時の樹脂の硬化度と発生する応力，ひずみの計算を行い，CFRP中の繊維の状態を推定する．成形時に特に重要と思われる，繊維張力，積層速度および加熱温度をパラメータとする．次に，in-situ加熱成形によるFW成形を行い，円筒形状の試験体を製作する．成形の際にライナ表面にひずみゲージを貼付し，積層中のライナの変形を測定する．その後，製作した試験体を用い，切り込み法による残留応力の評価，断面の観察およびNOLリング引っ張り試験を行う．これらの結果をFWモデルにフィードバックし，モデルの精度向上を図る．

Causes of Carryover

追加で実施する必要が生じた測定実験のための装置製作費が発生したため，物品費が予定より増えた一方，計上していた旅費の一部と学会誌投稿料および印刷費については不要となったため．次年度使用額は物品費として使用予定である．