| 研究課題/領域番号 |
23K03585
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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18010:材料力学および機械材料関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
白須 圭一 東北大学, 工学研究科, 准教授 (20757679)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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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 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
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| キーワード | 3D造形 / 熱可塑性CFRP / 溶融・固化 / ヤング率 / マイクロメカニクスモデル / 炭素繊維強化プラスチック / リサイクル / 結晶化度 / 力学特性 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
近年、3Dプリンターによる炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（CFRTP）の3D積層造形（3DP）への関心が急速に高まっており、CFRTPの構造部材適用の範囲が大幅に広がろうとしている。一方、3DP-CFRTPが社会実装されれば、カーボンニュートラル社会実現に向けたCFRTPの循環利用が可能な低環境負荷リサイクル手法の確立が喫緊の課題となると予想される。本申請では、全く新しいCFRTPの資源循環方式を3DPによって確立することを志向して、リサイクル（再造形）に伴う母材樹脂の溶融・固化過程の蓄積による樹脂品質（結晶化度・分子量）変化および造形品の力学特性発現・劣化メカニズムの解明を目指す。
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、3DP-CFRTPを繰り返し造形することによる母材樹脂の結晶化度・分子量および3DP-CFRTPの力学特性の劣化メカニズムを明らかにし、リサイクル造形による特性劣化抑制のための3DP-CFRTP造形ガイドラインを構築することである。
2023年度は、3D造形用の短炭素繊維/ポリアミド6（PA6）複合材料フィラメントに対して溶融・固化プロセスを繰り返し与え、複合材料フィラメントの物性劣化挙動を評価した。溶融・固化は10mm程度に裁断した複合材料フィラメントをフィラメントエクストルーダーに投入することで行い、得られたフィラメントを引張試験の供試体および次の溶融・固化プロセスの原料に用いた。
複合材料フィラメントの溶融・固化プロセスを5回繰り返すと、繊維長の減少とフィラメント内での繊維配向分布の乱れが大きくなる傾向が認められた。その結果、フィラメントの引張試験より、複合材料フィラメントのヤング率が低下した。
この結果を考察する目的で、マイクロメカニクスモデルを用いた複合材料フィラメントの等価剛性を計算した。実験で得られた繊維長および繊維配向分布を計算モデルに入力したところ、溶融・固化プロセスを繰り返すことによるヤング率の低下の挙動を再現することができた。このことから、溶融・固化プロセスを5回まで繰り返すことによる複合材料フィラメントのヤング率の低下は、主に繊維長の減少と繊維配向分布の乱れに起因していることがわかった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
交付申請書に記載した研究実施計画に対して、研究実績の概要で記載した成果を挙げることができており、おおむね順調に進展していると判断している。複合材料フィラメントに対して実験と計算でヤング率の変化を評価することができた。一方、3Dプリンタを用いたクーポン試験片の作製は、次年度に検討することとした。
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| 今後の研究の推進方策 |
2023年度は溶融・固化プロセスを5回まで繰り返した複合材料フィラメントに対して評価を行った。今後は、さらに溶融・固化プロセスを繰り返し、母材樹脂の劣化挙動を明らかにしたいと考えている。また、作製したフィラメントを用いたクーポン試験片の3D造形についても検討していく。
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