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連続炭素繊維の張力を用いた複合材サンドイッチ構造の一体造形
62nd FRP CON-EX20172017/11/13-14
Matsuzaki Lab.Tokyo University of science
背景
連続炭素繊維3Dプリンターを用いた自由なコア形状をもつ一体型サンドイッチ構造作製の可能性についての実験的検証
目的
提案手法
コア形状の造形コア材ユニットセルが周期境界条件を満足する事で，様々なコア形状が一筆書きで作製可能例）ハット型形状の繰り返しによりハニカムコア形状を作製
ブリッジ構造の造形連続炭素繊維の張力により，サポート材なしで広いブリッジ空間の造形が可能
炭素繊維強化樹脂(CFRP)
複雑な3次元造形が可能
様々な分野への適用
低い力学特性
優れた比強度・弾性率
金属の代替材料
成形品に対応する型
炭素繊維強化樹脂の造形可能な3Dプリンター
高価な設備費用
スキン材：引張や圧縮強さ
コア材：曲げ強さ曲げ剛性
3Dプリンター
サンドイッチ構造
コア形状の機能的特性を，十分検討し活用する必要性
コア形状の自由な設計と造形を3Dプリンターで可能に
実験
ハニカム ひし形
長方形 円形
15 mm 15 mm
15 mm 15 mm
ハニカム 長方形
10 mm 10 mm
ひし形 円形
10 mm 10 mm
造形中写真(赤枠：ユニットセル)
コア形状拡大写真
ブリッジ構造の造形写真
20 mm
20 mm
5 mm
コア形状評価
2N
1iii )y(y
N
1RMSE
N
iy
iy
: 対象数 (= 5)
: 計測値
: 設計値 (1 mm)
Core shape Root Mean Squared Error (mm)
Honeycomb 1.14
Rhombus 2.35
Rectangle 1.19
Circle 1.05
表面性状評価
CFRTPサンドイッチ構造Ra=19±2.6 µm
PLAサンドイッチ構造Ra=32±5.2 µm
直径0.4 mmのCFRTPフィラメントをノズル先端でアイロニングして，幅0.8-1.0 mmまた厚さ0.12-0.16 mmでプリントされている
提案手法により自由度の高いコア形状の設計・プリントが可能であった．
ノズル先端でのアイロニング効果により，PLA製サンドイッチ構造と同等以上でCFRTPサンドイッチ構造のプリントが可能であった．
連続炭素繊維の張力により，サポート材なしで繊維垂れせずにブリッジ空間のプリントが可能であった．
結言
今後の予定：熱交換機や扁平管などのパイプ形状デバイスへの適用
・フィラメント直径差による座屈・ノズル先端でのちぎれ
・PTFEチューブで直径差の対応・ノズル先端出口の面取り
ヒーターブロック・ノズルの改良・炭素繊維フィラメント
Markforged社製 CFF 直径0.4 mm(樹脂フィラメント直径1.75 mm)
P-12 3D printing of integrated composite sandwich structures utilizing continuous carbon fiber tension〇杉山堅太郎(東理大院)，松崎亮介(東理大) ，上田政人(日大)，轟章(東工大)，平野義鎭(JAXA)
