[論文レビュー] Field-Based Toolpath Generation for 3D Printing Continuous Fibre Reinforced Thermoplastic Composites

Xiangjia Chen, Guoxin Fang+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、3次元積層成形による連続繊維強化熱可塑性複合材料のフィールドベースのツールパス生成手法を提案する。この手法は、繊維パスを主引張応力方向に整列させるとともに、応力の大きさに応じてパス密度を適応的に制御する。有限要素解析から得られるベクトル場およびスカラーフィールド処理を用いることで、繊維使用量を最小限または低減しつつ、負荷に依存しないツールパスと比較して機械的強度を最大71.4%向上する。

ABSTRACT

We present a field-based method of toolpath generation for 3D printing continuous fibre reinforced thermoplastic composites. Our method employs the strong anisotropic material property of continuous fibres by generating toolpaths along the directions of tensile stresses in the critical regions. Moreover, the density of toolpath distribution is controlled in an adaptive way proportionally to the values of stresses. Specifically, a vector field is generated from the stress tensors under given loads and processed to have better compatibility between neighboring vectors. An optimal scalar field is computed later by making its gradients approximate the vector field. After that, isocurves of the scalar field are extracted to generate the toolpaths for continuous fibre reinforcement, which are also integrated with the boundary conformal toolpaths in user selected regions. The performance of our method has been verified on a variety of models in different loading conditions. Experimental tests are conducted on specimens by 3D printing continuous carbon fibres (CCF) in a polylactic acid (PLA) matrix. Compared to reinforcement by load-independent toolpaths, the specimens fabricated by our method show up to 71.4% improvement on the mechanical strength in physical tests when using the same (or even slightly smaller) amount of continuous fibres.

研究の動機と目的

• 負荷に依存しないツールパスを用いた3次元積層成形連続繊維強化熱可塑性複合材料（CFRTPC）の機械的性能が最適でない問題に対処すること。
• 連続繊維の強い異方性を活かし、重要な領域における主引張応力方向にツールパスを整列させること。
• 局所的な応力値に比例する適応的ツールパス密度制御機構を構築し、材料効率を向上させること。
• 境界に沿ったツールパスをユーザー指定領域に統合することで構造的性能を向上させるとともに、45°レイヤー回転を用いたジグザグPLAパスにより層間結合を強化すること。
• 複数のモデルを用いてさまざまな荷重条件下で実験的に手法を検証し、優れた機械的強度を示すこと。

提案手法

• 与えられた荷重条件の下で、有限要素解析（FEA）から主応力場を生成し、臨界な引張応力方向を特定する。
• 応力テンソルからベクトル場を構築し、隣接するベクトル間の滑らかな遷移と整合性を確保する処理を施す。
• その勾配場が処理済みベクトル場に近づくように最適なスカラーフィールドを計算し、引張応力方向に整列することを保証する。
• スカラーフィールドの等高線を抽出して連続繊維ツールパスを定義し、高応力領域ではパス密度を適応的に高める。
• ユーザーが選択した領域に境界に沿ったツールパスを統合し、端縁部および界面部の構造的整合性を確保する。
• PLAマトリックスは標準のジグザグツールパスを45°レイヤー回転とともに用い、層間結合を強化する一方で、CCFパスは応力に沿い、適応的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィールドベースのツールパス生成は、主引張応力方向に繊維を整列させることで、3次元積層成形連続繊維強化熱可塑性複合材料の機械的性能を向上させ得るか？
• RQ2 局所的応力の大きさに比例する適応的ツールパス密度は、機械的強度および材料効率にどのように影響するか？
• RQ3 破壊力および剛性の観点から、応力に沿ったCCFツールパスは、負荷に依存しないジグザグパターンを上回る程度はどの程度か？
• RQ4 負荷耐性領域に最適化されたCCFパスを用いる場合、層間結合強度はどのように維持されるか？
• RQ5 大きな変形下で応力に沿ったツールパスの限界は何か。また、繊維のずれが性能に与える影響はいかなるものか？

主な発見

• 提案手法により、負荷に依存しないCCFツールパスで製造された試料と比較して、3次元積層CFRTPC試料の破壊力が最大71.4%向上した。
• 同じまたはわずかに少ないCCFフィラメント長（34.658 m 対 35.895 m）で、剛性が50.2%向上した。
• 負荷に依存しないツールパスを用いた試料では、主にPLA層間の剥離が発生し、層間結合が弱いことが示された。
• 対照的に、応力に沿ったツールパスを用いた試料では、主に繊維の破断が発生し、異方性繊維の強度が効果的に活用されていることが確認された。
• 大きな変形（初期長さの20%以上）下では、主応力方向が顕著に回転した（50%以上の要素で10°以上）、これにより整列度が低下し性能が弱体化した。
• CCFパスが負荷耐性領域に最適化されても、標準のジグザグツールパスを用いたPLAマトリックスにより、層間結合強度を強固に維持できる。