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

点击翻译按钮获取中文摘要

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。