2020 Fiscal Year Research-status Report
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20K04191
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
立野 大地 金沢大学, 設計製造技術研究所, 助教 (30714159)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
米山 猛 金沢大学, 設計製造技術研究所, 研究協力員 (30175020)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱可塑性CFRP / 歯車成形 / 鍛造 / 繊維流動 / 繊維配向 / 強度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は不連続炭素繊維強化熱可塑性樹脂(不連続CFRTP)で製作したビレットを用いて鍛造成形法により，繊維長をカットすることなく，歯車を成形する方法を開発することである．
2020年度の主な内容は繊維配向を変えたビレットを製作し，成形後の歯車内の繊維配向との関係および歯元曲げ強度を明らかにした．成形対象はモジュール3，歯数16，歯幅10の平歯車で，中心には直径30mm，高さ20mmのボスがあり直径14mmの軸穴が貫通した形状である．
研究によりビレット内の繊維配向設計によって成形後の歯車内の繊維配向を制御できることが明らかになった．本研究では円柱状ビレットを上下に圧縮してビレットの直径が拡大することを利用して平歯車を成形するが，その変形過程で繊維はその直交方向に流動することが基本的な変形メカニズムであることがわかった．このことを利用して一方向繊維CFRTPを疑似等方に積層した疑似等方ビレットを製作してこれを上下に圧縮すれば，歯車の外周形状に沿った繊維配向層を形成できることを示した．一方向繊維をランダムに配向したビレット(ランダムビレット)を成形した場合は歯車内の繊維配向もランダムであった．歯元曲げ強度の結果，ランダムビレットで成形した歯車の歯元曲げ強度が最大で420MPaであったのに対し，疑似等方ビレットの場合は最大で500MPaを得た．また，ランダムビレットの周囲に一方向繊維テープを複数層巻き付けたビレットを成形した場合，一方向繊維テープが自身の層間摩擦のために展開することができず，内部のランダム繊維が先に流動し，結果的に成形後の歯車内部はランダム配向になることが明らかになった．歯元曲げ試験において歯の谷部において層間剥離が生じることがわかった．
総じて，歯車成形における繊維流動のメカニズム，高い強度の歯車を得るためのビレット設計について今後の発展につながる知見を得た．
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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
2020年度に予定していた主な研究内容は，歯車の鍛造成形における繊維の流動メカニズム解明，ビレットの繊維配向設計と成形後の歯車内の繊維配向の関係解明，歯元曲げ強度の解明であった．これらの項目に対して「研究実績の概要」で述べた通り，今後の発展に向けた基礎的な知見を得ることができた．特に，繊維の基本的な流動現象の考察をもとに，ビレット内の繊維配向から成形後の繊維配向を推測することができるようになったことは前進である．また歯に沿った繊維配向により歯元曲げ強度を高められることがわかった．一方で，同一の歯車内であっても場所によって強度のばらつきがあること明らかとなった．これは歯元曲げ強度に寄与している要因が繊維配向だけではないことを示している．圧力条件や温度条件などの要因が考えられるが，ばらつきを低減する取り組みが今後の課題である．総じてビレットの変形について一定の知見を得ることができた一方で新たな課題も明らかになり，進捗はおおむね順調と評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の推進方策の一つは，成形過程の圧力挙動を明らかにすることである．これは歯車の強度のばらつきが圧力と関係していると考えるためである．成形品の強度には樹脂と繊維の密着や層間の密着が関係しているが，圧力が場所によってばらついている可能性がある．圧力挙動を解明し，ビレット設計や圧力温度条件などの解明につなげる．このために年度末に新たに複数個所に圧力センサを内蔵した金型を設計製作した．変形過程における圧力変化を知ることで，金型内の圧力分布やビレットの変形について詳細な情報を得ることができる．当初は内視鏡を内蔵することを計画していたが，高温金型に対応する内視鏡は導入のハードルが高いため，圧力センサの導入に切り替えた．新規に製作した金型は，平歯車の両側にボスがあり軸穴のない成形を行うものである．従来あ，ボスは片側のみに形成されておりかつ軸穴が開いているため変形が複雑で，ビレットの変形を詳細に知ることが難しかったため，シンプルな形状にして現象解明をさらに深める．
もう一つは成形した歯車の面圧強度を解明することである．歯車の面圧強度はその性能の指針の一つであるが，CFRTP歯車についてそのような知見はなく，とくに本研究のように長繊維を用いた場合の面圧強度は未知である．そのための試験治具を設計製作する．
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルス禍で出張がキャンセルされたため旅費を物品費に回したが，最終的に差異が生じた．次年度は物品購入に充てる予定である．
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