| 研究課題/領域番号 |
21K04725
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26050:材料加工および組織制御関連
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| 研究機関 | 崇城大学 |
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研究代表者 |
北田 良二 崇城大学, 工学部, 教授 (60540276)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | レーザフォーミング / 熱可塑性炭素繊維強化プラスチック / 炭酸ガスレーザ / 熱応力 / パルスエネルギー / 曲げ加工 / パルス波形 / パルスレーザ / 成形加工 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
レーザフォーミングは，レーザ光を走査することで熱応力により金属板材などを塑性加工する加工方法である．金型を使用せず容易に成形加工が可能であることから，試作や多品種少量生産に適している．
本研究では，軽量，高強度，低コスト，リサイクル性といった特徴を持つ熱可塑性炭素繊維強化プラスチック（CFRTP: Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics）へレーザフォーミングを適用することで，曲げ加工等の後加工を行い，試作や多品種少量生産に適した新たなプラスチック成形加工法を提案する．
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| 研究実績の概要 |
熱可塑性炭素繊維強化プラスチック（CFRTP：Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics，マトリクス：ナイロン6）の板材（試験片サイズ：長さ60×幅30×厚み1mm）に対して炭酸ガスレーザを用いたレーザフォーミングに取り組んだ結果，パルスレーザ光を板材表面に走査することで熱応力により曲げ加工が可能であることを実験的に確認した．また，レーザ光を赤外線センサーにて実測することでパルス波形と曲げ加工の相関を検討した結果，パルスエネルギーが曲げ加工に影響を及ぼすことが明らかとなった．したがって，パルスエネルギーにより曲げ加工を制御できるものと考えられる．
また，CFRTP板材の曲げ加工の試みとして，レーザ光の重ね走査とシフト走査を繰り返すことで曲げ加工が可能であることを実験的に確認した．重ね走査においては，CFRTP板材の炭素繊維による復元力が影響するため，板厚1mmでは重ね回数10回以上で変位量が飽和してしまう．したがって，重ね回数10回が最適条件であることがわかった．一方，シフト走査におけるシフト量は，□5mmのレーザ光走査においてはシフト量4mmが最適条件であることがわかった．したがって，重ね走査回数とシフト量を最適化することで，CFRTP板材の高能率曲げ加工が可能であることが明らかとなった．
CFRTP板材のレーザフォーミングにおいて，レーザ光走査による板材への熱的ダメージを抑制するために，パルスレーザのパルス幅およびピークパワーを制御した．そして，レーザ光走査による板材表面の温度変化を評価した．その結果，ハルス幅やピークパワーによらず，パルスエネルギーが板材表面における最高到達温度に影響を及ぼすことがわかった．したがって，板材表面に発生する熱的ダメージは，パルスエネルギーを小さくすることで抑制できるものと考えられる．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
炭酸ガスレーザを用いたCFRTP板材（マトリクス：ナイロン6）のレーザフォーミングの基礎研究において，パルスエネルギーと曲げ加工の相関を実験的に明らかにしてきた．しかしながら，レーザ光走査が板材の機械的特性に及ぼす影響については未評価である．今後，レーザ走査前後のCFRTP板材に対して，引張圧縮試験や曲げ試験を実施して，レーザ光走査が材料の機械的特性に及ぼす影響について評価していく．そして，機械的特性に影響を及ぼさないレーザ光走査条件やパルス波形について検討していく．
レーザ光走査による発生する熱応力と曲げ加工の相関を考察するために，板材表面の温度変化と最高到達温度について評価してきた．そして，パルスエネルギーと最高到達温度には相関があることを実験的に確認することができた．今後は，熱伝導解析および応力解析による理論的な取り組みにより，熱応力発生のメカニズムを解明していく．
これまでの基礎研究により，CFRTP板材の曲げ加工は可能であることを確認してきた．しかしながら，単純な曲げ加工のみであり，今後は形状加工の取り組みも必要となる．更には，板材のみでなくパイプ材の曲げ加工も実用展開のためには重要な取り組みとなる．
以上の進捗状況により，一定の研究成果は得られている．しかしながら，実験結果に対する理論的な考察が不十分であり，パイプ材の曲げ加工といった未着手の課題があるため研究期間を1年間延長するに至った．したがって，“やや遅れている”と判断した．
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| 今後の研究の推進方策 |
炭酸ガスレーザを用いたCFRTP板材（マトリクス：ナイロン6）のレーザフォーミングにおいて，これまでの基礎研究により，パルスエネルギーと曲げ加工の相関を明らかにすることができた．しかしながら，レーザフォーミングが材料の機械的特性に及ぼす影響については未確認である．したがって，レーザ光走査前後の材料強度試験（引張試験，曲げ試験）を行うことで，機械的強度に及ぼす影響が小さなパルス波形やレーザ光走査条件を実験的に検討していく．また，高能率加工を実現するためには，熱応力発生のメカニズムを解明することは重要な取り組みとなる．そこで，熱伝導解析や応力解析を取り入れることで，レーザ光走査と熱応力発生の相関について理論的な考察を検討していく．研究期間を1年間延長した2024年度は，研究成果の総括として，炭酸ガスレーザを用いたCFRTP板材のレーザフォーミングについて，高能率加工法（レーザ光走査法やパルス条件など）を提案していく．
一方，炭酸ガスレーザを用いたCFRTPのレーザフォーミングを実用展開するには，板材の形状加工やパイプ材の曲げ加工などの取り組みが必要となる．そこで，パイプ材に対するレーザ光走査法を検討して，ステージ開発や曲げ加工の基礎研究に取り組む計画である．
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