積層造形：3Dプリントされた連続繊維強化複合材料の反りの予測

2022年4月、アンタークティックベアは、ノートルダム・ド・リュズ大学機械工学部とイェルサン大学航空宇宙工学部の研究者が、Additive Manufacturing誌に「ロボット3Dプリントによる連続繊維強化複合材料の反り推定」と題する論文を発表したことを知りました。彼らは3Dプリントされた複合材料の熱モデルを提供し、それを使用して材料の変形解析を行いました。彼らの研究を見てみましょう！

△連続繊維強化複合材料製造用ロボットアーム3Dプリンター

背景<br /> 材料押し出し (MEX) テクノロジーは、ノズルまたはオリフィスを使用して材料を選択的に堆積させる 3D 印刷テクノロジーです。完成品の機械的特性と幾何学的寸法は、印刷プラットフォームの温度、ノズルの温度、印刷速度などの製造設計とプロセスパラメータによって影響を受けます。最適な 3D プリント設計とプロセスパラメータを決定するために必要な実験の数は、実験計画法 (DoE) によって削減できますが、特に高性能の高温複合 3D プリントの場合は、依然として多くの時間、コスト、多くの材料が必要になります。したがって、シミュレーションは実験の膨大なコストを削減できるより簡単な方法です。モデリングとシミュレーションを通じて、正確で信頼性の高い複合 3D プリントモデルを確立するための研究が数多く行われてきました。しかし、3D プリントされた連続繊維複合材料の熱場のシミュレーション分析は行われていません。

研究<br /> この研究では、研究者らは連続繊維複合材料の 3D 印刷プロセスをシミュレートし、3D 印刷プロセス中の変形を予測しました。具体的には、熱シミュレーションを実行し、熱結果を使用して変形シミュレーションを予測しました。研究者らは、ハンドヘルドレーザースキャナーを使用して、ASTM D3039-17 に従って製造されたさまざまな幅の引張試験片の 3D モデルを作成しました。ビルドプラットフォームの温度、ノズルの温度、3D 印刷速度が部品の最大変形に与える影響も研究されました。

△異なる基板の厚さと異なる時間ステップで前の基板上に堆積するときの熱場。

△堆積時の変形

観察<br /> 数値データと実験データ間の部品エッジ変形の誤差は11.2%未満です。最初の堆積では基板が再加熱されないため、単純な静的モデリング手法を使用すると、最終的には過渡熱シミュレーションと機械的変形を伴う非線形熱機械結合の問題が発生します。しかし、その後の実験プロセスでは上記の問題は発生せず、フィッティングは良好でした。したがって、モデリング方法は高速かつシンプルであり、最終的な 3D プリントオブジェクトの変形を正確に再現できます。その後の分析では、ビルドプラットフォームとノズルの温度が上昇すると、最大変形と残留熱応力が減少する一方で、3D 印刷速度の増加とともに変形が増加することがわかりました。

△実験データとシミュレーションデータのフィッティング

結論この研究は、3D プリントされた連続繊維強化複合部品の変形に光を当てます。研究者らは、連続繊維強化複合材料内の空隙がその特性に大きな影響を与えることを観察し、空隙含有量の少ない部品を 3D プリントすることは困難であることを発見しました。この研究で研究者が使用した数値モデルは、将来の研究で拡張され、3D プリントされた部品の空隙含有量を予測できるようになる可能性があります。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102796

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