Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

３Dプリンタ / 複合材料 / 粒子法 / 複合材 / シミュレーション

令和二年度において，当初予定であった事項を修正して，短繊維を含んだ複合材フィラメントの３Dプリントの二次元印刷プロセスがMoving Particle Semi-implicit (MPS)法でシミュレーションできるようになり，実験と比較して９０％以上の形状類似性が得られた。
令和三年度では，これを三次元に拡張することを目的として研究を遂行した。三次元へのMPS法シミュレーション手法の拡張そのものは容易であった。アルゴリズム的には既に３次元用にされていたものを二次元で実施していただけである。しかし，３次元シミュレーションを実施するに当たり，シミュレーションモデルの構築が重大な問題となった，これは，ノズル形状やフィラメント形状などの円形の複雑形状を，六方格子の格子点上に正確に配置しないと，MPS法では，ごくわずかな粒子間距離の変動が圧力変動になり，その不規則な点で過剰な圧力変動が発生して粒子が飛び出す現象が発生してしまうためである．三次元のノズルやフィラメントであるが故に修正に一年を有した．特にノズル形状の修正は非常に手間のかかる作業であった．三次元解析は時間がかかるため，修正の有効性を判断する作業も数週間を要するものであった．
修正後に解析を実施したところ，アルゴリズムそのものはそのまま適用が可能である事を確認した。MPS法の解析には二週間の程度が必要であった．さらに，実験値と比較した結果，断面形状は９０％以上の類似性を有しており，３次元解析手法も有効であることを確認した。今後は溶融シミュレーションをインプリメントしていく予定である．

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

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（樹脂あるいは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。

複合材料 / 構造キャパシタ / ３Ｄプリンタ / 自己センシング / CFRP / 電気抵抗変化 / 繊維破断 / ＣＦＲＰ / キャパシタ / 電気抵抗 / 破壊 / モニタリング / サンドイッチ構造 / 複合材 / 炭素繊維 / 電気二重層

高価な炭素繊維強化複合材料を一般構造に適用するため，構造以外の蓄電機能を持たせる構造キャパシタを開発する．本研究ではサンドイッチ構造のコア部分にキャパシタを内蔵するサンドイッチ構造キャパシタを提案した．フォームコアでは電解液の漏洩が発生するため，３Ｄプリンタで作成したスナップイン構造を用いることにした．スナップイン構造のコア内部に防水処理をしたキャパシタを設置することで蓄電機能目標を達成した．３点曲げ試験を実施し，剛性も十分であることを確認した．スキン材の炭素繊維の電気抵抗を測定することで破断直前に破断を検知可能であり，放電可能であることを確認した．

軽量で高い剛性を持つが高価な炭素繊維複合材を一般構造に適用するため，構造以外の機能として蓄電機能を有する機能複合材料構造を作成した．本研究では，サンドイッチ構造の中央部分に蓄電機能を設置して構造の剛性と強度を持たせる．３Ｄプリンタを用いて雄雌型の嵌め込み形式を表皮材に同時成形し，簡単に組み立て可能なスナップイン構造とした．炭素繊維の電気抵抗変化を測定して事前に破壊を検知できる．このような構造と蓄電と破壊検知の多機能を有している構造は電気自動車などに利用可能であり，今後の省エネに寄与すると判断される．