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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K20415/
• 关键词: 3Dプリント; 数値最適化; 逆均質化; ツールパス; 3DプリントCFRP; CFRP; 最適化設計; プリントパス

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．

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) is optimized for high performance CFRP molding, structure quantization, and high functionality. CFRP material anisotropy has been optimized, the internal structure of CFRP has been optimized, the optimal dimensional alignment has been optimized, the 3D CFRP has been optimized, and the CFRP height has been optimized. In the past, 3D CFRP has been used for resin and 3D CFRP has been used for resin. In this study, the homogenization of 3D CFRP structure and asymptotic homogenization analysis were carried out, and the relationship between 3D CFRP structure and material properties was calculated. The material characteristics are used, and the internal structure is optimized. In this paper, the optimization of the number of structures, 3D layout, generation methods proposed, the actual optimal structure of 3D layout. The mechanical properties of the optimum structure are evaluated through material tests, and the mechanical properties of CFRP are confirmed through 3D tests. Comparison of analytical results of finite element method and optimization structure. As a result, the shape of CFRP is optimized, and the internal structure is optimized.

项目成果

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

• 发表时间: 2022
• 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

• 发表时间: 2023
• 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

• 发表时间: 2022
• 作者: Naruki Ichihara;Masahito Ueda
• 通讯作者: Masahito Ueda

Conformed print path generation with optimized material orientation for 3D printed fiber reinforced polymers

为 3D 打印纤维增强聚合物生成具有优化材料取向的一致打印路径

• 发表时间: 2022
• 作者: Naruki Ichihara;Masahito Ueda;Xiangrui Li;Naruki Ichihara
• 通讯作者: Naruki Ichihara