2022 Fiscal Year Research-status Report
射出成形品の力学的特性向上を目的とした配向制御手法と部品の軽量化設計手法の構築
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20K04201
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| Research Institution | Kanazawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
瀬戸 雅宏 金沢工業大学, 工学部, 教授 (90367459)
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2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 射出成形 / 繊維強化樹脂 / 配向制御 / 物性発現 / 強度設計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題における主な取り組みは，①繊維配向因子の定量的解明，②繊維配向メカニズムの解明，③力学的特性発現に向けた繊維配向制御手法の確立である．初年度では，繊維配向に直接影響を与える因子を定量的に明らかにするために，繊維強化射出成形中の金型内流動現象の可視化観察を実施した．その結果，繊維配向は，固化層の成長挙動と成形中の樹脂流速分布が大きく影響していることを明らかにした．さらに令和3年度では，成形品の幾何学的形状，特にゲート形状が繊維配向に与える影響を検討した．その結果，ゲート形状は，特に成形品板厚中央層の繊維配向に影響を与えることが示唆された．その一方で，繊維含有率や繊維長によって射出成形品の繊維配向が変化することが示唆されたことから，可視化実験により得られた樹脂流速分布から算出したせん断ひずみエネルギーと実際に成形品の繊維配向度分布を比較した．その結果，せん断ひずみエネルギーが繊維配向の与える影響は，繊維含有率によって異なることがわかってきた．これは，繊維同士の配向に与える相互作用が影響していることが示唆され，新たにこの影響を検討する必要性が生じた．そこで，令和4年度においては，繊維の相互作用が直接観察できる可視化金型の試作（簡易金型）に注力し，繊維1本1本の成形中の配向挙動が観察できるか検討した．具体的には，これまで金型キャビティ内に光を照射しその反射像で樹脂並びに繊維配向の可視化観察を行っていたが，キャビティ内に光を透過させ，その透過画像の観察を試みた．その結果，繊維1本1本の挙動が鮮明に観察でき，従来使われている繊維配向予測モデルと十分比較することができた．また，これまで観察が難しかった，固液界面での繊維配向挙動の観察もできることが確認された．しかしながら，繊維の相互作用の影響までは観察することができず，今後改良する必要があることが示された．
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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
2022年度の当初計画では，可視化観察から得られた繊維配向制御因子と繊維配向に与える影響度の定量化の結果から，任意の繊維配向度分布を発現するプロセス条件の設定指針構築を目指す計画であった．また，繊維配向状態から均質化法により射出成形品の力学的特性の予測，さらにその結果を構造解析に反映させる連成解析手法の確立する計画であった．
繊維配向制御を目的としたプロセス条件設定指針については，これまでの可視化実験の結果から影響度の高い制御因子がほぼ特定され，制約条件はあるものの，任意の力学特性を発現させるプロセス条件設定指針も明らかになってきた．また，流動解析による繊維配向予測結果から均質化法を用いて繊維配向に伴う物性の変化を推定し，その結果を構造解析に反映する連成解析手法についても構築している．しかし，流動解析による繊維配向予測に関しては，①成形中の樹脂流速分布（特に板厚方向の流速分布）によるせん断応力，せん断ひずみからの繊維配向予測精度が現状では不十分であること，②成形中の金型内における樹脂流動挙動（特に固化層の成長挙動）の予測精度が不十分であり，固液境界層でのせん断応力による繊維配向予測精度が低いことから，本手法による解析手法においては，精度向上が課題となっている．
そのため，令和4年度では，新たに簡易的な可視化金型を作成し，個々の繊維配向挙動の直接観察を通して，固液境界層での配向挙動に加えて，固化層成長についても正確に計測できる実験手法を新たに検討した．射出成形中の固化層成長モデルに関しては，金型-樹脂界面の熱伝達係数が指定的因子として考えており，実際の金型における熱伝達係数測定と伝熱・固化層成長モデルの構築を進める計画であったが，前述した新たな可視化手法に注力したため，研究がやや遅れている．これに関しては，今季継続して実施する予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題では，2020年度において射出成形品の繊維配向制御因子の特定と繊維配向に与える金型内樹脂流動挙動の定量的可視化観察，2021年度では，射出成形における高精度予測手法の確立を目的に，金型内の樹脂伝熱現象のモデル化と固化層成長モデルの構築する計画であった．また，2022年度では，上記研究成果を反映させ，さらに繊維配向から力学特性を均質化法により予測し，流動解析から構造解析への連成解析手法を確立する計画であった．しかしながら，射出成形品の繊維配向制御の支配因子である成形中の固化層成長と固液境界層での配向メカニズムが十分に解明されておらず，解析制度の向上が新たな課題となってきた．繊維配向の予測精度を向上させるためには，前述の固化層成長と固液境界での配向メカニズムを明らかにする必要がある．そのため，令和4年度においては，一部研究計画を変更し，射出成形中の繊維配向をさらに詳細に観察するための試験的な実験を実施した．その結果，従来の可視化方法を改良し，新たに樹脂の透過像を観察することで，従来よりもさらに鮮明に繊維の挙動を観察できる可能性を示した．本可視化手法については，実験ノウハウを十分習得できておらず，今期は透過画像を用いた成形中の繊維配向挙動を詳細観察の手法を確立することを目指す．その後，固液境界での配向メカニズムの検討や高濃度系での可視化観察の可能性を探る．
一方，令和4年度では，上記の可視化観察手法の検討を進めたため，当初計画していた，射出成形中の伝熱現象の解明と固化層成長モデルの検討については，未実施であった．そのため．今期（令和5年度）は金型内における熱移動現象，特に樹脂から金型への伝熱現象を実験的に計測し，固化層成長モデルの構築を目指す．これらの研究成果は，繊維配向予測精度向上の一助になると期待される．
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| Causes of Carryover |
繊維強化射出成形品の繊維配向は，射出成形中のせん断流動に伴う繊維配向のみではなく，成形中の固化層成長が大きく影響することがわかってきた．繊維配向の高精度な予測には，強化繊維の配向に与える繊維含有率の影響や固液境界での詳細な繊維配向メカニズムの解明がいずれ必要となることが考えられた．このことから，昨年の実施予定であった，射出成形中の伝熱現象の計測実験を一旦中断し，新たに繊維を詳細に観察できる透過型の可視化金型を試験的に設計し，現状よりもさらに詳細な可視化観察ができる実験手法の予備検討を実施した．その結果，繊維の詳細な観察が可能となることが確認され，さらに改良は必要なものの，高含有率系や長繊維，固液境界での配向メカニズムの検討に活用できる可能性が示された．このような，研究計画の一部変更を行ったため，当初購入予定であった，樹脂温度センサーの購入費用の支出がなく，その費用の一部，204,499円が今期に持ち越された．今期は，本研究課題で検討が未実施であった，固化層成長挙動の詳細観察と実際の伝熱現象を考慮した固化層成長モデルの構築を実施する．そのため，金型改良費用とセンサーの購入費調に，上記の持ち越し金を活用する予定である．
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Research Products
(11 results)
