2022 Fiscal Year Research-status Report
積層溶融型3Dプリント複合材の粒子法を用いた成形シミュレーション
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20K05113
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
轟 章 東京工業大学, 工学院, 教授 (50211397)
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2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 3Dプリンタ / 複合材料 / 粒子法 / ボイド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度は３次元のMPS法を用いて3Dプリントの融合状態をシミュレーションする予定であった．しかし，３次元で計算を実施すると，非ニュートン流体の粘性計算において，陰解法の粘性項の計算が収束しにくい事態が発生し，１例の計算に数カ月を有することが明らかになった．このため，２次元のMPS法の解析を用いてパス融合時のパス間のボイド発生メカニズムの解析を実施し，それと並行して３D解析の収束遅延の原因調査を実施した．３D解析には時間がかかるため，数回しか実施できなかったが，既存パスが完全な個体のままの壁粒子であると，時間はかかるが解析が可能であり，既存パスが固体から液体になる複合材粒子であると粘性項の陰解法計算が収束しないことが判明した。これは，粘性の陰解法計算において，低温の固体粒子の影響で指数関数的に急変する粘性の影響を受けているためと判断された．そのため，いったん３D解析を中断し，最終年度に修正を行うこととした．また，２次元のシミュレーションでは，既存パスに隣接して印刷するパス融合時に，押し出されてくる固体フィラメントにかかる圧力の計算を実施した．液体の粒子が固体粒子によって流れが阻害されると，このパス融合時に液体部分の圧力上昇が発生してフィラメントに高い反力を与えていることが明らかになった．このために，フィラメント送り機構で滑りが発生することがか確認された．フィラメント送りの滑りの影響を入れて解析すると，現実のパス間ボイドと同様のボイドが形成されるとことが明らかになった．
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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
今年度の実績で述べたように，パス間融合において，融合時の圧力上昇が原因でフィラメントに滑りが発生することは２D解析によって確認できたが，３D解析において，既存パスを固体とすると解析が可能であるが，粘性項を同じナイロンとして解析する必要がある複合材粒子にすると，粘性項の陰解法が収束しないという問題に突き当たったため，この点の回避が必要である．低温部での指数関数的に上昇する関数形を変えることで対応が可能と思われるため，最終年度はこれを達成したい．
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| Strategy for Future Research Activity |
既に述べたように，３D解析において，粘性項を陰解法で求める際，既存の固体パスに近づく液体粒子との粘性計算が，粘性の急激が変化で収束しない現象が発生している．このため，数個の固体複合材粒子に数個の液体粒子が接近する簡単なモデルを用いて収束しやすい近似的粘性モデルを構築し，これを用いて３D解析が実行できるようにする．
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| Causes of Carryover |
当初計画であった３D解析の実行と３D解析に伴う実験の実施が大幅に遅れてしまい，消耗品としての短炭素繊維フィラメントと消耗品のノズル，プリントヘッドなどの購入が不要になってしまったために大幅に余剰金が発生することになってしまった．３D解析の実行は現在目途が立ってきているので，２０２３年度は予算を使用する予定である．また，計画していた国際会議がオンラインであったので，旅費も発生しなかった．
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