セルロースナノファイバーの積層造形に適する連続繊維配置設計法の構築と製作物の評価

适用于纤维素纳米纤维增材制造的连续纤维排列设计方法的构建及制成品的评价

基本信息

批准号：
20K04227
负责人：
舘野寿丈
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Meiji University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本申請課題ではセルロースナノファイバー（CNF）材料を機械部品として実用的に利用するための製造方法として、連続繊維と樹脂との複合材料を積層造形する方法に着目し、この製造方法に適する繊維配置設計法の確立を目指している。これを実現する方法として、連続繊維を切らずに表面を包み込むように積層する曲面積層法を開発し、その上で、要求強度に見合う繊維の位置と方向を自動的に算出する造形パス設計法を構築する。令和４年度は、これまでの研究成果を総合して最終成果とするための課題を具体的に設定し、実施した。目的の実現に必要なソフトウェアアルゴリズムとして、スライスアルゴリズム、強度モデル変換アルゴリズム、造形パス生成アルゴリズムの３つがある。スライスアルゴリズムについては、既にz軸回りの任意の平面でスライスできるようになっている。本年度は、適切なスライス平面を導出する強度モデル変換アルゴリズムの開発に向けて、強度シミュレーションの実現手段の検討および構築を行った。強度モデル変換アルゴリズムは要求強度に見合う繊維配置を導出するものであり、強度シミュレーションがこれを構築する上での重要な位置づけとなる。通常のソリッドモデルであれば市販の有限要素法（FEM）ソフトウェアで可能だが、連続繊維が押し出された形状は複合材料であり、かつ複雑形状でモデル化が困難なため、市販のFEMソフトウェアに持ち込むことができない。このためコンピュテーショナルデザインの技術を用いて、複雑な構造であっても押出し形状の特長を利用して画一的にモデル化するアルゴリズムを開発した。造形パス生成アルゴリズムとしては、６軸ロボットアームを双腕にして軸数をさらに増やし、動作プログラムにはオープンソフトウェアであるROS2を採用して、特異点回避を行う造形パス生成アルゴリズムの開発を行い、これにより上向きを含む任意の向きへの造形を実現した。

在本应用项目中，我们将重点研究连续纤维与树脂复合材料的增材制造方法，作为纤维素纳米纤维（CNF）材料作为机械零件实际应用的制造方法，我们将重点研究增材制造的方法。制造连续纤维和树脂的复合材料，并找到适合这种制造方法的纤维排列，我们的目标是建立一种设计方法。作为实现这一目标的方法，我们开发了一种弯曲分层方法，其中连续纤维被层压以包裹在表面上而不切割它们，然后自动计算符合该要求的纤维的位置和方向的成型路径设计方法。所需的力量。 2020财年，我们专门制定并实施了任务，以综合迄今为止的研究成果并得出最终结果。实现该目的需要三种软件算法：切片算法、强度模型转换算法和建模路径生成算法。关于切片算法，已经可以在绕z轴的任意平面上进行切片。今年，我们研究并构建了一种实现强度模拟的方法，以开发导出适当切片平面的强度模型转换算法。强度模型转换算法得出满足所需强度的纤维排列，而强度模拟在构建此过程中发挥着重要作用。如果是普通的实体模型，可以使用市售的有限元法（FEM）软件，但由于挤出连续纤维的形状是复合材料，形状复杂，建模比较困难，因此有必要使用商用有限元软件，我不能。为此，我们使用计算设计技术开发了一种算法，该算法可以利用挤压形状的特征，对复杂的结构进行统一建模。在建模路径生成算法方面，我们通过将6轴机械臂做成双臂，进一步增加了轴数，采用开放软件ROS2作为运行程序，开发了避免奇点的建模路径生成算法。使得可以在任何方向上打印，包括向上。