炭素繊維熱可塑性3Dプリント技術、最新のパスアルゴリズム

2022年4月27日、Antarctic Bearは、ジャーナルAdditive Manufacturingの最近の記事で、研究者らが熱溶解積層法（FDM）3Dプリンターのプリントヘッドのパスアルゴリズムを提案し、各層を必要とせずに単一パスで連続印刷を実現していることを知りました。著者らはまた、X線断層撮影（CT）を使用して作製したサンプルの特性評価も行った。

△連続炭素繊維強化熱可塑性 3D プリントを使用して、新しいシングルストロークパスプランニングアルゴリズムをテストします。画像提供：Shutterstock
3D プリントは複雑な幾何学的形状を形成できるという独自の利点があり、連続炭素繊維製造への応用において研究者から大きな注目を集めています。しかし、炭素繊維フィラメントを複数回切断する追加の手順が必要なため、3D プリンターは炭素繊維フィラメントの使用には効果的に開発されていません。

背景 FDM 3D プリンターの材料としての樹脂または短繊維は、連続繊維を使用する 3D プリンターとはまったく異なる動作をします。しかし、連続繊維の使用で現在直面している問題は、同じ層内の交差点でノズルの動きを制限する領域に過剰な材料堆積が発生する可能性があるため、繊維束が損傷することです。この場合、交差点での繊維分布を他の部分を変更せずに制限することで、条件付きで問題を解決できます。

ノズル内ディッピング法や、スライスソフトウェアを使用してパスを作成し、交差点やその他のポイントで複数のカットを実行して繊維の分布を制限するなど、さまざまなアプローチが試されてきました。しかし、ノズル含浸法では最大繊維体積分率が制限され、スライスソフトウェアでは繊維の連続性が悪くなり、繊維束の強度が弱くなります。

△3Dプリント炭素繊維複合材料構造部品の概略図。 Googleからの画像
研究について<br /> この研究では、著者らは、ターゲット形状を 1 回のストロークで印刷するアルゴリズムを提案しました。彼らはターゲット構造に基づいてオイラーグラフを作成し、制約付きの Hierholzer アルゴリズムを使用してパスを生成しました。

このアルゴリズムは輪郭内に一筆パスを生成し、その後、無向グラフに変換され、さらにオイラーグラフに変換されて一筆パスが形成されます。オイラーグラフからオイラー回路を計算すると、旅程の閉包が決定されます。最後に、すべての交差点でパスが調整され、幾何学コード (G コード) に変換されました。

研究結果<br /> 本研究では、ハニカムパターンと三角形パターンを入力として用い、構築されたサンプルをX線CT ScanXmate-L080TTを用いて中央上部に観察した。

結果から、頂点の折り畳まれた部分に小さな隙間が生じていることが分かりました。これは繊維の不連続性と樹脂への付着不足が原因でした。これらの隙間により、サンプルの剛性と強度が大幅に低下します。さらに、同じ複合材料を PLA 材料で構築すると、形状の再現性の比較が容易になります。しかし、PCA を使用すると、ギャップは生成されず、頂点コーナーの再現性は高くなりました。

形成されるギャップは、3 つの形状の再現性の問題が原因です。最初の問題は、連続炭素繊維フィラメントの硬さと曲率での曲げが不可能なために、再現性が低いことです。さらに、曲率が厳しい場合、回転によるフィラメントの慣性も印刷の再現性に大きな影響を与えます。

2 番目の問題は、格子の曲率の歪みであり、これにより印刷パスにエラーが発生する可能性があります。ねじれを正確に予測することは可能ですが、ねじれがゼロになることは事実上不可能です。 3 番目の問題は、印刷パス内のフィラメントの連続性です。以前に印刷された方向と曲がり部分のノズルの方向の差により、位置ずれが発生します。このずれはパラメータを調整することで補正できます。

△山本功・Luces J. V. S.・白須功・星川他連続炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを印刷する 3D プリンターを使用して、新しいシングルストロークパスプランニングアルゴリズムがテストされました。付加製造（2022年、論文はこちらをクリック）。
研究の結論 本研究では、著者らは FDM ベースの 3D プリンターの材料として連続炭素繊維を使用し、新しいプリントヘッドのパス計画方法を提案しました。提案された方法は、各レイヤーに対して単一ストロークの印刷パスを生成します。各アルゴリズムステップは単一のパスに基づいています。

この方法は、周期的なパターン（厚さが変化する）や周期性のない複雑なパターンを塗りつぶすのに適しています。この研究では、格子ジオメトリへのアルゴリズムの適用について説明していますが、他のジオメトリの単一ストロークパスの生成にも適用できます。

提案されたアルゴリズムは、複雑な幾何学パターンの印刷に最適です。したがって、著者らは提案されたアルゴリズムをトポロジー最適化から得られたパターンと組み合わせることを期待しています。さらに、これらのアルゴリズムは、複雑な 3D 構造を印刷する際に依然として 2 つの課題に直面しています。 1 つ目は、連続繊維の特性を考慮して 3D 交差を持つ形状を印刷する技術を開発することです。 2 番目の課題は、複雑な構造の 3D グラフィックスの制限に応じてアルゴリズムを適応させ、ターゲットを印刷するための適切なパスを生成することでした。

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