2015 Fiscal Year Annual Research Report
光ファイバライフサイクルモニタリング援用革新複合材構造の知的ものづくり科学の構築
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26220912
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
武田 展雄 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (10171646)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水口 周 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特任准教授 (70512359)
水谷 忠均 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (00401232)
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| Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| Keywords | 複合材料 / 光ファイバセンサ / モニタリング / 成形 / 硬化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、次世代航空宇宙機複合材構造への適用を目指して、熱可塑・低圧成形複合材料および接着接合技術の低コスト・高機能性と光ファイバライフサイクルモニタリングによる高信頼化技術を融合させる「複合材構造の知的ものづくり科学」を構築する。とくに、実際の航空機部品を模擬した複雑形状部材を対象とした光ファイバセンサライフサイクルモニタリング技術を構築する。製造プロセスにおける材料内挙動を詳細に評価するとともに、光ファイバを考慮した複合材料モデルによる新規成形プロセスシミュレーションおよび損傷発生・進展解析を行い、実際の試験から得られる光ファイバ応答と照らし合わせることでCFRPの品質・健全性を評価する手法を確立する。
前述した目的を達成するために、下記の項目を実施してきた。
(1) 熱可塑CFRP薄板平板試験片でのライフサイクルモニタリング： 力学特性に大きな影響を与える冷却速度条件を複数変化させた成形試験を行い、埋込み光ファイバによる内部ひずみ計測を実施し、内部ひずみや結晶化度が力学的特性に及ぼす効果について検討してきた。示差走査熱量測定(DSC)や動的機械特性試験(DMA)等の熱分析結果との比較を通して、粘弾性および結晶化挙動の影響を詳細に評価した。またこれらの挙動を考慮した有限要素シミュレーション手法を構築してきた。
(2) 低圧成形CFRPのライフサイクルモニタリングと品質保証技術： 低圧成形CFRPについては、成形中の発生と残留歪発生との相関関係を、上記と同様の手法により検討し、品質保証技術の構築に取り組んだ。
(3) 二次接着接合部の成形プロセスモニタリング： CFRP部品を硬化成形したものどうしを熱硬化性接着フィルム挿入により二次接着する際の品質保証が重要視されていることから、光ファイバセンサを用いて接着時の加圧状態をモニタリングを行い、成形条件の最適化を図ってきている。
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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
3つの項目ごとに進捗状況を示す。
(1) 熱可塑CFRP薄板平板について、従来法であるDSCやDMA熱分析結果との比較に基づく粘弾性および結晶化挙動の影響を詳細に評価し、これらの挙動を考慮した有限要素シミュレーション手法を構築し、論文作成中であるが、埋め込光ファイバ援用による残留歪発生を考慮した、より精密かつ独創的な解析は現在進行中であり、学会発表を行いつつある。
(2) 低圧成形CFRPでは、購入可能な米国製材料について、成形中の発生と残留歪発生との相関関係を、上記と同様の手法により明らかにしてきた。
(3) 二次接着CFRP構造の接着層について、光ファイバセンサを用いて接着時の加圧状態をモニタリングする手法を構築することに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
現用の実用材料および開発中のCFRP材料に提案している手法を適用し、その有用性を証明していく。
(1) 熱可塑CFRP圧肉材料への適用： 熱可塑CFRP圧肉板では高温成形後の冷却速度に勾配が発生し、板厚方向に結晶度分布や残留応力が発生することで成形後の歪みや亀裂発生要因となる。一般には成形後に再度熱処理（アニーリング）を行うことでこれを緩和させるが，前年度までに構築したライフサイクルモニタリング技術基盤を適用することでアニーリングを含めた工程での品質保証技術を確立する。また、これら実際の成形品から直接得られる光ファイバセンサ応答等を用いて有限要素シミュレーション手法の改善を行い、より一般的な成形シミュレーションが行えるようにすることにより、成形条件の最適化を図る。さらに、成形後の積層板の応力・歪挙動に現れる残留応力の効果についても検討する。また、低速衝撃試験を実施し、損傷発生・進展プロセスに現れる残留応力の効果についても、数値シミュレーション解析も含め、検討する。
(2) 低圧成形CFRPのライフサイクルモニタリングと品質保証技術： 低圧成形CFRPでは樹脂の硬化発熱反応に起因した過加熱が原因となり硬化不良や残留応力が発生するので、これに対しても品質保証技術の構築に取り組む。
(3) 二次接着接合部の成形プロセスモニタリング： 成形条件の最適化を図る。
今後は、「複合材構造の知的ものづくり科学」を構築することにより初めて実現可能となる、革新知的複合材構造コンセプトを世界に先駆けて提案・実証する。補強板構造の部分構造供試体を用いて模擬実用環境下でのライフサイクルモニタリング実証を行うことを目指す。
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