積層方向と形状に沿った方向に炭素繊維で強化した機能的な機械要素の光造形

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K03856
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 中本 剛 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (30198262)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 光造形 / 炭素繊維 / 機械要素 / 配向 / 電界 / 引張強度

Outline of Annual Research Achievements

光造形法による造形物を実用に供するためには，その機械的な強度を向上させなければならない．光造形法の素材は紫外線硬化樹脂である．本研究では，一つの造形面内（水平面内）では部品の形状に沿って一端から他端までを長い繊維で強化し，かつ積層方向（厚さ方向）にも強化した機械要素を光造形法で製作する方法を開発することを目的としている．本方法では長繊維として高強度で曲げることができる炭素繊維を使用する．本研究の方法は光造形法を応用しており造形精度も高い．このため寸法が小さいマイクロサイズの部品にも適用が可能である．
炭素繊維を短く切断して極板上に置く．極板間に直流電界を印加することによって炭素繊維が電荷を帯びてもう一方の電極に向かって飛ぶ．もう一方の電極板には樹脂を塗布してあるので，炭素繊維はもう一方の電極板上で垂直に配向する．この配向した電極板を基板として使用して基板上に所望の部品の形状を造形する．造形した輪郭形状に沿って部品の一端から他端までを長い炭素繊維で強化する．このようにして，部品の輪郭に沿った方向と積層方向（厚さ方向）の両方の方向に強化した機械要素を得ることを目的とした．
令和4年度は積層方向（厚さ方向）に配向するための条件を実験により検討した．その結果，かなり広範囲の条件で配向することが可能であった．部品の輪郭形状に沿った配向については，型を転写した紫外線硬化樹脂に炭素繊維を配向し，輪郭形状に沿った配向が可能であることを実証した．さらに炭素繊維を配向した紫外線硬化樹脂の引張試験を行い，体積含有率7.7%で樹脂のみの試験片の強度より約3.8倍向上するという結果を得た．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

積層方向（厚さ方向）への配向は予定通り検討した．配向するための条件についても実証した．部品の輪郭形状に沿った配向については，炭素繊維を配向した紫外線硬化樹脂の引張試験を行ってその効果を実証した．

Strategy for Future Research Activity

部品の輪郭形状に沿った配向については，令和4年度は型を転写した紫外線硬化樹脂で実験を行った．本方法の効果を迅速に示すためである．今後は通常の光造形と同様に紫外線レーザビームを描画もしくは走査することによって造形した部品について，輪郭形状に沿った配向ができることを実証する．

Causes of Carryover

当初の予算では高電圧電源，レーザパワーメーター，XYステージ，ステッピングモータコントロールユニットを計上していた．令和4年度の実験においては炭素繊維の配向に必要な電圧は現在，本申請者が研究室で所有している電源による電圧で十分であった．レーザビームのパワーも現在，所有しているパワーメーターで測定することができた．XYステージとステッピングモータコントロールユニットについても同様である．令和5年度は，これまでの研究成果を踏まえて，令和4年度で実証した実験条件以外の条件で実験を行うことが必要となる．このため，上記の装置の更新に使用する予定である．