2020 Fiscal Year Final Research Report

Fabrication of doubly-curved CFRP shell structures by tailored fiber placement embroidery machines

Research Project

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Project/Area Number	18H01355
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 18030:Design engineering-related
Research Institution	Waseda University (2019-2020) Yokohama National University (2018)
Principal Investigator	Maekawa Takashi 早稲田大学, 理工学術院, 上級研究員(研究院教授) (70361863)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	松尾宏平国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (00399528) 澁谷忠弘横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 教授 (10332644) 竹澤正仁国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (50782489)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	炭素繊維強化プラスチック / 刺しゅう機 / ツールパス / 曲率線 / 応力線 / ストレッチ線 / VaRTM法 / L-RTM法
Outline of Final Research Achievements	We introduced a fabrication method of doubly-curved shell structures by CFRP with control over fiber directions. Doubly-curved surfaces are tessellated into structured quadrilateral patches according to the purpose of use. One can design the tessellation in the parameter space, and map it to the 3D parametric surface, or use the orthogonal net of curves on surfaces such as lines of curvature, principal stretch lines, and principal stress lines. These patches, which we call generalized principal patches, are flattened onto a plane, and connected one by one by aligning the equi-length adjacent edges using translations and rotations forming generalized principal strips. Carbon fiber tows are placed onto these strips with one stroke by tailored fiber placement embroidery machines so that the fibers are not disconnected within strips. Preforms are stacked layer by layer into a mold of particular parts, and VaRTM or L-RTM method is employed to fabricate CFRP parts.
Free Research Field	形状処理工学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究においてコンピュータ制御されたミシンを使用して対象曲面内で切断されない炭素繊維が直交するCFRP成形方法を世界に先駆けて開発した。今後、さまざまなものづくりの分野においてこれまでにない利用技術を生み出すことが大いに期待される。特に、CFRPは環境対応素材として自動車、航空機の分野での用途が急速に拡がる中、日本のメーカ3社で世界の70％以上のシェアを有しており、国策上も非常に重要な素材である。本研究のCFRPの成形加工方法は、高強度の3次元形状を生成できるため、世界における日本のCFRP技術の存在感をさらに後押しすることが期待される。