炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを用いた装具の製造方法に関する研究

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21K11294
• 研究機関: 北海道科学大学
• 研究代表者: 早川 康之 北海道科学大学, 保健医療学部, 教授 (30348601)
• 研究分担者: 村原 伸 北海道科学大学, 保健医療学部, 講師 (10726251) ; 瀬野 修一郎 地方独立行政法人北海道立総合研究機構, 産業技術環境研究本部 工業試験場, 主査 (10743411) ; 山岸 暢 地方独立行政法人北海道立総合研究機構, 産業技術環境研究本部 工業試験場, 専門研究員 (30469689) ; 太田 佳樹 北海道科学大学, 工学部, 教授 (50233151) ; 可児 浩 地方独立行政法人北海道立総合研究機構, 産業技術環境研究本部 工業試験場, 主任主査 (60469690)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 炭素繊維強化熱可塑性プラスチック / 障害者 / 装具 / 熱可塑性プラスチック成形

研究実績の概要

本研究の最終目標は、炭素繊維強化熱可塑性プラスチックCFRTPを用いた装具支柱の成形方法を確立し、障害者の身体形状に合わせ、軽量で機能的なCFRTP製装具を提供することにある。本研究では、装具に適したCFRTP製支柱と装具製作のための二次加工用成形機器を開発し、小規模な装具製作所を想定した実験環境下で、実用性の評価を行うことを目的としている。2023年度は、以下について目標を立て、研究を実施した。
１．2022年度開発の下肢装具が成形できるサイズの成形機器による、CFRTP装具製作方法の検討。
２．二次成形した下肢装具支柱と足継手接合部の強度向上方法の検討。
2022年度から2023年度にかけて実施した、下肢形状へのCFRTP支柱の成形では、機器の大型化による問題点をクリアすることができた。一方で、臨床義肢装具士への使用評価までは至ることができなかった。
製作したCFRTP装具は、金属支柱装具と比較して、約30%の軽量化が可能となった。ただし、あぶみ、および継手部分は金属であり、全体の2/3の重量となるため、この部分のFRTP化を行うことで、さらなる軽量化が期待できることを確認した。CFRTP支柱と足継手の接合方法では、従来のネジによる締結ではなく、広い面で挟み込んで固定する方法により、強度の向上を図ることができた。
本研究を通して、CFRTP製装具の製作が可能であることを確認した。さらに今回、CFRTPのマトリックス材の選定には、接着による組み立てが可能であることからアクリルを使用したが、熱可塑性ポリウレタンエラストマーを用いると、エポキシCFRPと同等の曲げ強さを有することも確認している。つまり本研究の成果を用いることで、義肢装具の製作にとどまらず、一般のCFRPにとって替わるCFRTP製品の製作にも応用が可能であることも分かった。

研究成果

• [学会発表] 炭素繊維強化熱可塑性プラスチック(CFRTP)支柱を用いた装具製作方法の開発 (2024)
  • 著者名/発表者名: 早川 康之, 太田 佳樹, 村原 伸, 山岸 暢, 可児 浩, 瀬野 修一郎
  • 学会等名: 超異分野学会
• [学会発表] 炭素繊維強化熱可塑性プラスチック(CFRTP)支柱を用いた装具製作の可能性について (2023)
  • 著者名/発表者名: 早川 康之, 太田 佳樹, 村原 伸, 山岸 暢, 可児 浩, 瀬野 修一郎
  • 学会等名: 日本義肢装具学会
• [学会発表] 炭素繊維強化熱可塑性プラスチック(CFRTP)を用いた装具支柱の開発 JIS金属製下肢装具用足継手 静的強度試験結果 (2023)
  • 著者名/発表者名: 奈良坂 勇太, 早川 康之
  • 学会等名: 日本義肢装具士協会
• [学会発表] 炭素繊維強化熱可塑性プラスチック(CFRTP)を用いた短下肢装具の支柱の検討 最適な二次成形条件の検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山中 竜生, 早川 康之
  • 学会等名: 日本義肢装具士協会
• [学会発表] パッチを用いて成形されたCFRTP製ステー部材の数値構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 太田佳樹
  • 学会等名: Dynamics & Design Conference
• [学会発表] 二次成形されたCFRTP製ステー部材の強度・剛性評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 太田佳樹，早川康之，山岸暢，可児浩，瀬野修一郎
  • 学会等名: 日本複合材料学会 第48回複合材料シンポジウム
• [学会発表] 太田佳樹 (2023)
  • 著者名/発表者名: 下肢装具用CFRTP製ステー部材の開発
  • 学会等名: 日本機械学会 機械力学・計測制御部門 シェルの振動と座屈研究会