Experimental and simulational demonstration of the optimal print path for 3D printed CFRP based on the microstructure

基于微观结构的3D打印CFRP最佳打印路径的实验和模拟演示

基本信息

批准号：
22K20415
负责人：
市原稔紀
金额：
$ 1.25万
依托单位：
Nihon University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-08-31 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）を造形できる3Dプリンタを活用して，外形形状のみならず繊維配向やハッチ間隔などのプリントパスまで最適化された高性能CFRPを成形し，構造のさらなる軽量化，高機能化を目的に研究を推進している．CFRP構造の最適化においては，CFRPが材料異方性を有していることにより外形形状を最適化するだけでは不十分であり，その内部構造において応力状態に合わせた最適な繊維配向が重要となる．3DプリントCFRPでは1mmスケールで任意の配向に繊維を配置可能であるため，従来CFRPよりも高度に最適化されたCFRPの成形が可能である．しかしながら，従来の3DプリントCFRPでは，樹脂の3Dプリント同様の一様なパターンの繊維パス配置が用いられてきた．本研究では，3DプリントCFRPのサブスケール構造を均質化する漸近均質化解析を行い，3Dプリントパスの設定と材料特性の関係を短繊維強化CFRPにおいて計算した．この材料特性を用いて，内部構造を含めた最適化手法を提案した．さらに数値的に最適化された構造から，3Dプリントパスを生成する手法を提案し，実際に最適構造を3Dプリントした．最適構造の力学特性を材料試験を通じて評価し，従来のパターンで3DプリントしたCFRPよりも力学特性が向上していることを確認した．また有限要素法の解析結果と比較することで，最適化構造を実現できているか検証した．結果として外形形状のみではなく，内部構造まで最適化することで従来CFRPよりも優れた特性を発揮する3DプリントCFRPの成形が可能となった．

使用3D打印机可以创建碳纤维增强塑料（CFRP），我们不仅具有外部形状的高性能CFRP，而且还采用了诸如纤维方向和舱口间距等印刷路径，并促进研究，以进一步降低结构的重量和功能。优化CFRP结构时，仅仅因为CFRP具有材料各向异性，就不足以优化外部形状，并且重要的是要根据其内部结构中的应力状态具有最佳的纤维方向。 3D打印的CFRP允许以1mm比例以任何方向排列纤维，从而使CFRP比常规CFRP更高度优化。但是，常规的3D打印CFRP使用了类似于树脂的3D打印的均匀纤维路径排列。在这项研究中，进行了渐近均化分析，以使3D打印CFRP的子量表结构均匀，并使用短纤维增强的CFRP计算3D打印通行证的设置与材料特性之间的关系。使用此材料属性，我们提出了一种包括内部结构的优化方法。此外，我们提出了一种从数值优化的结构中生成3D打印通道的方法，并实际打印了最佳结构。通过材料测试评估了最佳结构的机械性能，并确认与使用常规模式打印的3D打印的CFRP相比，机械性能得到了改善。此外，通过将结果与有限元方法进行比较，我们验证了是否实现了优化的结构。结果，通过不仅优化外部形状，而且还要优化内部结构，就可以塑造3D印刷的CFRP，这些CFRP表现出比常规CFRP较高的特性。

项目成果

期刊论文数量（5）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

3D print path generation based on the optimized material orientation

基于优化材料取向的3D打印路径生成

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Naruki Ichihara;Masahito Ueda
通讯作者：
Masahito Ueda

3D-printed high-toughness composite structures by anisotropic topology optimization

DOI：
10.1016/j.compositesb.2023.110572
发表时间：
2023-01-28
期刊：
COMPOSITES PART B-ENGINEERING
影响因子：
13.1
作者：
Ichihara, Naruki;Ueda, Masahito
通讯作者：
Ueda, Masahito

異方性トポロジー最適化に基づく3Dプリント複合材料の高靭性ラティス構造

基于各向异性拓扑优化的3D打印复合材料高韧性晶格结构

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
M. J. Mohammad FIKRY;Issei HORI;Tooru HATANO;Rinako HANO;Yuki YOSHIKAWA; Yutaka YOSHIDA;Yoshiaki KUMAMOTO;Akira TAKENAKA;Masashi NOJIMA;Shinji OGIHARA;市原稔紀，上田政人
通讯作者：
市原稔紀，上田政人

Topology and material orientation optimization for 3D printed fiber-reinforced polymers

3D 打印纤维增强聚合物的拓扑和材料取向优化