2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of a multi-scale optimization method for resin infusion molding of fiber-reinforced composite materials
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19K04092
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
矢代 茂樹 九州大学, 工学研究院, 教授 (00452681)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 繊維強化プラスチック / 樹脂含浸成形 / ボイド / 樹脂流動解析 / 粒子法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
繊維強化プラスチック（FRP）の樹脂含浸（RTM）成形は最有力な脱オートクレーブ成形法だが，成形プロセスに依存して材料内部に空孔（ボイド）が形成される。このボイドは成形体の機械的特性や強度に影響を及ぼすため，成形プロセスに起因するボイドの最小化が実構造への適用における技術課題である。本研究では，RTM成形のボイド最小化を実現するマルチスケール成形解析技術を目指している。
2020年度には，前年度に開発した，粒子法を用いた繊維束への樹脂の含浸プロセスを予測するミクロスケール流動解析において，樹脂の表面張力や繊維／樹脂の濡れ性を表す粒子間ポテンシャルモデルを修正した。水や油の表面張力，それらのガラスに対する濡れ性を実験によって測定し，その結果を構築した解析で再現できることを確認した。
このように改善した流動解析を用いて，繊維・樹脂・空気をすべて粒子でモデル化し，繊維束内二相流の2次元ボイド形成解析を行った。樹脂流入速度，表面張力，接触角を変化させた複数の条件で解析を行い，繊維束内への樹脂の含浸とボイドの形成を予測した。ボイド含有率は先行研究におけるボイド形成実験結果と一致した。すなわち，粘性力と表面張力の比で表される修正キャピラリ数が小さいほどボイドの含有率が低くなる傾向を再現でき，ボイドを最小化する成形条件を予測可能となった。なお，繊維束間のマクロボイドを再現することができなかったが，これは繊維の織構造（経糸）を考慮していないためである。また，繊維束内に形成されたミクロボイドが樹脂の圧力によって圧縮されることも再現した。
さらに，ガラスクロスとシリコンオイルを用いた真空RTM成形実験を行い，ガラスクロスの浸透率を計測した。加えて，この浸透率を予測するための繊維基材の一部をモデル化して真空RTMを模した解析モデルの開発を行った。
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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
当初の計画から，繊維基材の浸透率を予測する解析と，実験による浸透率計測の順序を入れ替えた。浸透率計測を完了できたことから，総合して研究の進捗は順調であると評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
多数の繊維が流動垂直（T）および平行（L）方向に並んだ繊維束微視構造をモデル化し，繊維束まわりの樹脂流動を予測する。圧力勾配と平均流速の関係から繊維束単位の浸透率K_TとK_Lを予測する。繊維織物基材に対し，先行研究で提案されている浸透率モデルの経繊維束と緯繊維束の局所浸透率にミクロスケール解析の予測値を適用することで，繊維基材のマクロ浸透率を解析的に算出する。これを浸透率の実測値と比較し，解析的に算出する浸透率の妥当性を検証する。
マクロスケールの樹脂含浸解析に，解析的に算出した浸透率を適用し，ボイド含有率を最小化する成形プロセスを同定する。制御変数は樹脂注入条件（注入流量または圧力）であり，解析的に特定した最適キャピラリ数を含浸の先端で維持する樹脂注入履歴を求める。構造スケールの板を想定して，マルチスケールRTM成形最適化手法を実証する。
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| Causes of Carryover |
参加を予定していた国際会議がコロナ禍によって延期されたことにより，次年度使用額が生じた。次年度には，当初計画に加えて研究成果をより積極的に発表する。
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