短繊維強化複合樹脂を用いた射出成形品における繊維配向層形成を考慮した繊維配向予測手法に関する研究

• Material Type: 博士論文
• Title: 短繊維強化複合樹脂を用いた射出成形品における繊維配向層形成を考慮した繊維配向予測手法に関する研究
• Author/Editor: 濵中, 仙治
• Author Heading: 濵中, 仙治
• Publication Date: 2021-03-25
• Publication Date (W3CDTF): 2021-03-25
• Alternative Title: A Study on fiber orientation prediction method considering fiber orientation layer formation in injection molded products using short fiber reinforced plastic
• Degree grantor/type: 京都工芸繊維大学
• Date Granted: 2021-03-25
• Dissertation Number: 甲第1005号
• Degree Type: 博士（工学）
• Text Language Code: jpn
• Subject Heading: Injection molding; Fiber orientation; Fiber orientation layer; Fiber orientation prediction; Polyamide 6; Short glass fiber reinforced plastic; X-ray CT; Finite element method; Hele-shaw model; Numerical analysis
• Target Audience: 一般
• Note (General): type:Thesis; 近年，環境保全の観点から，二酸化炭素（以下，CO2）排出量低減への活動が活発化している．CO2排出量低減に向けた活動は，自動車分野において顕著である．ガソリン車における排ガス抑制や電気自動車における燃費向上のため，樹脂化による金属代替が増加傾向にある．金属代替においては，高い要求品質が求められる一方で，マスプロダクトを前提としたより安価な製品コストが必要となる．これらを満足する材料として，射出成形材料である短繊維強化複合樹脂が広く用いられている． 短繊維強化複合樹脂を用いた射出成形品では，成形品内部の繊維配向により，力学特性にいて異方性が発現し，成形後のソリ変形や製品強度に影響を及ぼす．このため，短繊維強化複合樹脂を用いた射出成形品の製品設計においては，繊維配向の影響を考慮することが重要となる．特に，薄肉形状をベースとした射出成形品では，充填過程において，配向方向の異なる繊維配向層が形成される．射出成形の充填過程において，繊維配向層の遷移現象が生じる．この結果，最終成形品において繊維配向層に分布が生じる．繊維配向層の分布が，成形品の力学特性に及ぼす影響は大きく，製品設計において，充填過程における繊維配向層の遷移を考慮することが極めて重要である． しかし，射出成形の充填過程で生じる，繊維配向層の遷移メカニズムについては，十分に検討がなされておらず，繊維配向層の予測において課題があった．また，繊維配向については情報量が多く，繊維配向分布を考慮した力学特性の予測手法においては，計算技術の面で課題があった．そこで，本研究では，射出成形の充填過程における繊維配向層の遷移メカニズムを明らかにすることを目的とし，得られた知見から繊維配向予測手法について検討した．次に，繊維配向層形成を考慮した簡便な力学物性の予測手法について検討した． 第1章では，短繊維強化複合樹脂を用いた射出成形品の製品設計において，射出成形品に求められる要求品質を満足するために，成形品内部における繊維配向の考慮が重要であることについて述べた．その上で，繊維配向，繊維配向予測，および力学特性に関する従来研究の課題について整理し，繊維配向層の遷移メカニズム解明と，遷移メカニズムの知見から得られる繊維配向予測と力学物性予測との構築について，それらの重要性について述べた． 第2章では，射出成形の充填過程における繊維配向層の遷移メカニズムについて検討を行った．X線CTにより，成形品内部の繊維配向分布を数値化し，充填過程における繊維配向層を定量的に評価した．数値解析によって，射出成形の充填過程における流動場の予測を行った．流動場の予測について実験的検証を行い，数値解析の妥当性について検討した．最後に繊維配向層の評価結果と，数値解析の結果とを比較・考察し，繊維配向層の遷移メカニズムの解明を試みた． 第3章では，繊維配向層の遷移における熱物性と繊維相互干渉の影響について検討を行った．繊維含有量が異なる短繊維強化複合樹脂を用いて射出成形を行い，繊維配向層の遷移における繊維含有量の影響について実験的に評価した．繊維含有量の増加による熱物性と粘性との変化を定量的に評価した．評価した材料物性を，射出成形シミュレーションに適用し，充填過程における速度場と温度場との予測結果を，繊維配向層に関する評価結果と比較・考察し，繊維配向層の遷移において，繊維相互干渉が重要な因子であることを明らかにした． 第4章では，前章までに明らかとなった繊維配向層に関する知見をもとに，繊維配向分布予測手法について検討を行った．繊維相互干渉による面内ひずみ速度の緩和を考慮した緩和関数を検討し，繊維配向層の厚み分布予測を試みた．さらに，RSCモデルにおけるひずみ速度項における現象論的係数を，前述した緩和関数で定式化し，RSCモデルの修正を行った．いずれも手法においても良好に繊維配向層を予測できることが確認され，新たな繊維配向予測手法を提案した．第5章では，繊維配向層形成を考慮した力学物性の予測手法について検討を行った．積層板理論に繊維配向テンソルの概念を適用した簡便な物性予測モデルを構築した．物性予測モデルから得られた予測結果と実験値とを比較し，良好に成形品の力学物性を予測できることが明らかとなり，新たな力学物性の予測手法を提案した． 第6章にでは，本研究で行った実験結果と数値解析の結果とを総括した．本技術の応用により，短繊維強化複合樹脂を用いた製品設計において，より高精度な繊維配向層の予測が期待できる．また，計算負荷の観点から，これまで予測が困難であった成形品全体の繊維配向層の考慮も可能になる． 以上の研究成果により，樹脂化による金属代替を促進が図られ，環境負荷の低減を実現することができる．
• Source: fulltext; http://repository.lib.kit.ac.jp/repo/repository/10212/2645/D1-1005_h1.pdf; http://repository.lib.kit.ac.jp/repo/repository/10212/2645/D1-1005.pdf
• Access Restrictions: インターネット公開
• Data Provider (Database): 国立情報学研究所 : 学術機関リポジトリデータベース（IRDB）（機関リポジトリ）; https://irdb.nii.ac.jp
• Original Data Provider (Database): 京都工芸繊維大学 : ＫＩＴ学術成果コレクション