| 研究課題/領域番号 |
20H00300
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
柳本 潤 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90220194)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | 複合材料 / 金属シート / 三次元周期コア / トポロジー最適化 / 3Dプリンタ |
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| 研究実績の概要 |
複層構造は、優れた機械的特性を発現する構造である。本研究では、金属被覆材（フェースシート）に挟む連続／非連続炭素繊維CFRPコア材の３次元幾何構造を制御することで、多様な力学特性を持つ薄板材料を創造し、製作し、評価することを目的とする。具体的には、
1）メタルフェースと３次元周期構造を持つ樹脂あるいは炭素繊維強化複合材料コアからなる複層構造の、コア構造を最適化する方法、 2）得られた構造を熱溶解式3Dプリンタ（樹脂あるい熱可塑性短炭素繊維強化複合材料（CFRTP）を模擬）ならびに光造形式3Dプリンタ（熱硬化性長繊維強化複合材料CFRPを模擬）造形しフェースシートを接合したプロトタイピング、 3）以上で提示されたコアを、樹脂または炭素繊維強化複合材料の、デジタルサーボプレスと金型を利用した温間スタンピング成形で作製しフェ ースシートと接着して薄板化の、３つの段階（ステージ）を研究対象とする。
まずはコアの3次元立体周期構造の決定に重点を置き、研究を行っている。3次元立体構造の決定にはトポロジー最適化を利用し、最適化された構造の造形には３Dプリンタを用い、フェースシートとの接着は曲げ剛性評価には、既存設備であるオートクレーヴやサーメックマスターを利用する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年は熱可塑性樹脂からなるコアの3次元造形のための3Dプリンタ、ならびにトポロジー最適化や曲げ剛性評価を行うための計算機を新たに購入し、最適化計算と構造の特性評価を行った。
3Dプリンタで造形されたコアはステンレスあるいはアルミからなる板厚1.0mmのフェースシートと、オートクレーヴ（既存設備）により接着し、サーメックマスターZによる曲げ試験に供した。
初年度である今年は、周期構造を持つコアの形状をいくつか選び、研究を実施した。得られた結果は国際学術誌2編として掲載されている。
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| 今後の研究の推進方策 |
フェースシートの耐食性とCFRPとの接触起電力による腐食が複層構造を実用的に用いるうえでの大きな課題であるので、フェースシートをオ ーステナイト系ステンレスSUS304/SUS316あるいは純チタン（pure Ti）薄板とし、板厚は1mm程度とする。コアは３次元立体周期構造を持つ熱可塑性および熱硬化性樹脂、CFRP （熱硬化性長炭素繊維強化複合材料）、CFRTP（熱可塑性短炭素繊維強化複合材料）を材料とする。また、金型を利用した温間スタンピング成形が可能であるために、立体周期構造の板厚は面内で一様で1mm程度を標準とする。作製された部材は、3点曲げ試験が可能な寸法である、幅200mm×奥行20mm以上×厚さ（1mm＋コア見かけ厚さ＋1mm）とする。以下では、ａ）を【最適化／計算機シミュレーションステージ】に属する項目、ｂ）を【物理シミュレーションステージ】に属する項目、ｃ）を【成形ステージ】に属する項目とする。
2021年度は以下の研究を実施する。
ａ）－１ トポロジー最適化によるコアの3次元立体周期構造決定を継続する。 ｂ）－２ CFRP（熱硬化性長繊維強化複合材料）を対象材と考え、この構造を模擬するための光造形式3Dプリンタを導入する［新規導入設備］。ａ）－１で得られたコア３次元立体周期構造を光造形式3Dプリンタで作製し、フェースシートと溶着し３点曲げ試験で評価する。 ｃ）－２ 金型４組を追加製作し、項目ａ）ｂ）で得られた３次元立体コア構造の温間スタンピング成形実験を行う。さらにフェースシートとの接合試験を行う。
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