| 研究課題/領域番号 |
22K03840
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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18020:加工学および生産工学関連
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| 研究機関 | 福井大学 |
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研究代表者 |
岡田 将人 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (60369973)
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| 研究分担者 |
植松 英之 福井大学, 繊維・マテリアル研究センター, 准教授 (80536201)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | 熱可塑性炭素繊維強化樹脂 / 切削加工 / ドリル加工 / エンドミル加工 / 表面品位 / 被削性 / 分子動力学法 / 切削能 / 快削性 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は，今後，広範に工業製品の構造材として普及することが見込まれる熱可塑性炭素繊維強化樹脂の二次加工技術である切削加工の高度化に関する取り組みである．高度化のために，切削加工の加工結果の適切な評価手法を確立するとともに，良好な加工結果が得られる高い切削能を有する切削工具と切削条件の指針を提案する．さらに，良好な加工結果を容易に得るための快削性を有する，すなわち”削りやすい熱可塑性炭素繊維強化樹脂”の材料設計指針を構築する．
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| 研究実績の概要 |
本研究課題において初年度にあたる２０２２年度（令和４年度）は，切削加工により得られる熱可塑性炭素繊維強化樹脂材料の新生面を適切に評価可能な品質評価手法を検討した（取組事項①）．加えて，ナノ・ミクロレベルにおける切れ刃と被削材間で生じる諸現象を理論的に評価できるモデルを作成するために分子動力学法を用いた材料除去機構の単純なモデル化を試みた（取組事項②）．さらに，切削加工により高品位な仕上げ面を得るために求められる，仕上げ面創成機構について，エンドミル加工を対象とした実験的検討を進めた（取組事項③）．以下に各取組事項の概要をそれぞれ示す．
取組事項①：本取り組みでは，切削加工により形状創成された炭素繊維強化樹脂の適切な品質評価を実現するために，短冊状の薄板試験片に対し，中央部にドリル加工を施したうえで，その両端を固定して引張荷重を付与することで，破断に至るまでの荷重変化挙動からの評価を試みた．
取組事項②：炭素繊維強化樹脂材料の切削加工において，切れ刃先端と被削材界面で生じるナノ・ミクロレベルでの現象を理論的に紐解くために，分子動力学法を用いて，切れ刃先端を模擬した圧子状の工具材料が，炭素繊維強化樹脂材料を模したグラフェンシートの積層材に強制的に侵入した際の，材料変形挙動のシミュレーションモデルを構築した．
取組事項③：炭素繊維強化樹脂材料の切削加工による表面品質の高品位化のための基礎的な検討として，切れ刃形状が異なる複数種類のエンドミルを用いた側面加工により得られた仕上げ面の繊維破壊形態ならびに表面粗さ，切削抵抗などから仕上げ面の創成機構を明らかにした．
これらの取り組みにより，本研究課題の目的としている被削性と切削性の両面の評価について，それぞれの観点から研究を進展でき，加えて，理論的な検討についても試みを進めることができた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
当初の計画では，２０２２年度は熱可塑性炭素繊維強化樹脂材料の炭素繊維と樹脂界面の状態を制御した試験材料を作成し，その界面状態が被削性に及ぼす影響を検討するとともに，解析的手法により，熱可塑性炭素繊維強化樹脂材料の切削加工における材料除去機構を再現することを目的としていた．これに対して，２０２２年度初旬に，炭素繊維と樹脂界面状態を制御した２種類の熱可塑性炭素繊維強化樹脂材料を用いた被削性試験をドリル加工ならびにエンドミル加工において実施したところ，詳細は割愛するが，炭素繊維と樹脂界面の状態が，加工中の切削抵抗や切削面の仕上げ面品位に支配的な影響は及ぼさないことを明らかにできた．また，前項の取組事項②に示す通り，分子動力学法を用いた材料変形挙動のシミュレーションモデルを構築するまでに至った．ここまでの取り組みで，既に２０２２年度中の実施計画を履行できた．これに加えて，前項の取組事項①にある通り，切削加工により得られた炭素繊維強化樹脂材料の品質評価手法として，中央部にドリル加工を施した短冊状試験片による引張試験を実施して，その評価特性を検討するまでに至った．本取り組みは，当初の研究計画において２０２３～２０２４年度に取り組む予定をしていた事項である．さらに，前項の取組事項③にある通り，高品位な切削加工による仕上げ面を獲得するために，切削工具の切れ刃形状が切削加工後の仕上げ面の炭素繊維破壊形態や樹脂流動に及ぼす影響を実験的に明らかにした．本取り組みは，当初の研究計画において２０２４年度に取り組む予定をしていた事項であり，その取り組みの綿密な事前準備ができた．これらの進捗状況から「（１）当初の計画以上に進展している」と判断するに至った．
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| 今後の研究の推進方策 |
２０２３年度については，当初は前項（現在までの進捗状況）にて示したとおり，熱可塑性炭素繊維強化樹脂材料の炭素繊維と樹脂材料界面状態が被削性に及ぼす影響について継続的に取り組む予定をしていた．また，これと併せて切削現象の解析的な取り扱いについて，より高精度な再現モデルの構築ならびに，切削加工により得られる仕上げ面品質の適切な評価手法の検討を予定していた．
２０２２年度の進捗状況より，上記の取組事項を継続するとともに，２０２４年度に重点的に取り組むことを計画していた高品位な仕上げ面性状を得るための切削工具ならびに加工条件の提案について，２０２３年度より取り組む計画を進める．新たな取り組み計画を策定するに至った理由としては，本研究課題の研究協力者として参画いただいている外部切削工具メーカーの協力により，極めて良好な仕上げ面品位の獲得が期待できる切れ刃形状のドリル工具について知見提供があり，本取り組みを早々に重点的に進めることで，本研究課題の目的を早期かつ着実に達成できると判断するに至ったためである．
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