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

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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．