2021 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
| Project/Area Number |
20K04227
|
|---|
| Research Institution | Meiji University |
|---|
Principal Investigator |
舘野 寿丈 明治大学, 理工学部, 専任教授 (30236559)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| 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 / 双腕ロボットアーム / 造形パス |
|---|
| 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している。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、要求強度に見合う繊維の位置と方向を自動的に算出する造形パス設計法を構築する。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。
２年目である令和３年度は、昨年度に構築された第一段階の成果を最終成果につなげるため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、昨年度に構築したスライスアルゴリズムをベースに，強度モデル変換アルゴリズム、および造形パス生成アルゴリズムを検討し、これに相応しい造形対象物の構造として積層方向を造形物の外側全方向に向ける構造体を設定した。
曲面積層造形装置の製作では、研究室に現有する６軸ロボットアームと同じロボットアームを対称に設置して双腕とし、多軸の運動機構を有する装置を構築した。また、複数のロボットアームの同期した動作による造形に向けて動作プログラムの準備を行った。
|
| 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。昨年度に構築したスライスアルゴリズムをベースに，強度モデル変換アルゴリズム、および造形パス生成アルゴリズムを検討した。通常はz軸に垂直な面で形状モデルをスライスするのに対し、提案構築した方法では外形表面を一定の厚みづけをしながら、x軸もしくはy軸に垂直な面でスライスしていく。この方法では造形パスが表面を取り囲む形状となる。この形状に相応しい内部構造および外形面の在り方を検討した。
続いて、実機によるロボット積層造形実験の準備を行った。現有する６軸ロボットアームと同じロボットアームを対称に設置して双腕とし、多軸の運動機構を有する造形装置とした。複数のロボットアームを同期して動作させるため、動作プログラムにはROS2を利用することとし、動作プログラム作成の準備を行った。
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。
|
| 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。令和４年度は最終年度となるので、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し、最終的には糸状にしたセルロースナノファイバーを含むフィラメントによる造形を達成する。
ソフトウェアアルゴリズムについては、これまでに構築してきた曲面積層の造形パス生成アルゴリズムに強度モデル変換アルゴリズムを組み込んで、要求強度を満足したうえ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アーム２台で構成した多軸運動機構が製作できたので、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。製作物の形状測定し、製品評価を行う。また、セルロースナノファイバーを含むワイヤと樹脂との複合材料による積層造形を行い，強度評価および精度評価を行う。
|
| Causes of Carryover |
当初の計画では、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、COVID-19の影響によって多くはWeb開催となり、使用を次年度以降に持ち越すこととした。次年度には現地開催の国際会議および国内会議に参加予定としており，現時点において使用計画に大きな変更はない。
|
