2020 Fiscal Year Research-status Report
セルロースナノファイバーの積層造形に適する連続繊維配置設計法の構築と製作物の評価
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20K04227
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
舘野 寿丈 明治大学, 理工学部, 専任教授 (30236559)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | アディティブマニュファクチャリング / 曲面積層 / 連続繊維 / セルロースファイバー / ロボット積層造形 / 造形パス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本申請課題ではセルロースナノファイバー（CNF）材料を機械部品として実用的に利用するための製造方法として、連続繊維と樹脂との複合材料を積層造形する方法に着目し、この製造方法に適する繊維配置設計法の確立を目指す。これを実現する方法として、連続繊維を切らずに表面を包み込むように積層する曲面積層法を開発し、その上で、基本立体の位相を基にした繊維配置の強度モデルを作成する。そして、要求強度に見合う繊維の位置と方向を容易に導出する設計法を構築する。当初の計画より、糸状の連続繊維と樹脂との複合材料を曲面積層する上でのアルゴリズム作成と多軸の運動機構による曲面積層造形装置の製作を計画しており、これらに関して研究開発を行った。初年度である令和２年度は、これらの計画の第一段階の課題を具体的に設定し、実施した。
アルゴリズムの作成では、必要なソフトウェアアルゴリズムとして、スライスアルゴリズム、強度モデル変換アルゴリズム、造形パス生成アルゴリズムの３つがあるが、本年度は、主にスライスアルゴリズムを扱い、曲面積層に応じた新たなスライス手法を考案し、実装した。また、スライスされた形状を用いて造形パスを生成し、ロボットの動作プログラムに変換するソフトウェアも開発した。
多軸の運動機構による曲面積層造形装置の製作では、研究室に現有する６軸ロボットの先端に材料押出ユニットを取り付け、曲面積層造形を試験的に行った。使用する材料は、セルロースファイバーの連続繊維と樹脂との複合材料とした。この装置を用いて、開発したソフトウェアによって生成された動作プログラムでの造形を行った。製品評価として製作物の造形精度評価を行った。
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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
進捗についてソフトウェアアルゴリズムと実機による造形実験とに分けて示す。
本研究において開発すべきソフトウェアアルゴリズムは、スライスアルゴリズム、強度モデル変換アルゴリズム、造形パス生成アルゴリズムに分けられる。本年度はそのスライスアルゴリズムについて開発した。通常のスライスソフトウェアでは、水平面であるx-y平面で層を区分していくのに対し、これとは垂直のx-z平面、y-z平面でスライスする新たな方法を提案した。これにより連続繊維を切らずに曲面上に積層造形できる。造形対象形状として、正方形の平面を底面に持ち、上部が凸形状の曲面で構成される３次元形状を設定し、正しくスライスが可能であることを確認した。
続いて、開発したソフトウェアによって構築されたロボットプログラムを用いて、実機の６軸多関節ロボットによるロボット積層造形実験を行った。現有の６軸ロボットに材料押出ユニットを搭載して、動作検証および造形物の精度評価を行った。
以上のことから、おおむね当初の計画通りに進行していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究も当初の研究計画に沿って実施する。次年度着手する開発の第二段階としては、対象物を自由に包み込む造形パスによる積層造形を可能にすることと設定する。
ソフトウェアアルゴリズムについては、造形パス生成アルゴリズムを中心に開発を進める。本年度開発したスライスソフトウェアは、底面を平面として設定したが、全面が曲面であっても対応できるように改良する。その上で、対象物を包み込むような造形パスを生成できるアルゴリズムを開発する。
実機による検証においては、６軸垂直多関節ロボットの運動軸のみでは特異点を回避しにくい問題が明らかになったので、さらに運動軸数を増やした多軸運動機構を導入する。その装置を用いて、上述のソフトウェアによって生成された動作プログラムにより曲面積層実験を行う。製作物の造形精度を測定し、製品評価を行う。
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| Causes of Carryover |
当初の計画では、曲面積層造形に向けた新たな多軸ロボットを購入して、実機検証する予定であったが、現有の６軸ロボットが一時的に使用できたこと、社会情勢により外国製品の納品が大幅に遅れる可能性があったことから、購入を次年度に持ち越すこととした。また、国際会議を含む学会参加のため国内外の旅費を予定していたが、多くはWeb開催となり、使用を次年度以降に持ち越すこととした。これらについては使用時期の変更はあるものの、使用計画に大きな変更はない。
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Research Products
(4 results)
