2021
DOI: 10.1016/j.compositesb.2021.109406
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Optimization of parts manufactured using continuous fiber three-dimensional printing technology

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“…While mainly concentrating on orientation optimization, some approaches do ultimately generate fiber paths. For example, Fedulov et al [2021] first optimized density and orientation and then used third-party software for printing trajectory generation; Schmidt et al [2020] performed density and orientation optimization and generated streamlines using the 4th-order Runge-Kutta integrator for visualization.…”
Section: Related Work 21 Fiber Orientation Optimization In 3d Printingmentioning
confidence: 99%
“…While mainly concentrating on orientation optimization, some approaches do ultimately generate fiber paths. For example, Fedulov et al [2021] first optimized density and orientation and then used third-party software for printing trajectory generation; Schmidt et al [2020] performed density and orientation optimization and generated streamlines using the 4th-order Runge-Kutta integrator for visualization.…”
Section: Related Work 21 Fiber Orientation Optimization In 3d Printingmentioning
confidence: 99%
“…他方で,構造設計の最適化においてトポロジー最適化は有用な手段である (Bendsøe and Sigmund, 2003) (Pedersen, 2000).トポロジー最適化は構造物の位相(穴の数)の変化をも許容するような自由度が高い最適化手法であり, 設計者の勘や経験に依存しない最適設計を可能とする.しかし,複合材構造を対象としたトポロジー最適化にお いては,従来のマクロ構造の最適化に限定されていては不十分であり,ミクロな情報である局所的な繊維配向を も最適化する必要がある.そのためトポロジー・配向の同時最適化法に関する研究は構造最適化分野では多く発 表されている.また,例を挙げると Anisoprint 社の Composer シリーズのような 3 次元連続繊修正箇所維強化複合 材を造形可能な 3D プリンターが既に市販されており,複合材構造の積層造形技術も発達してきている (Fedulov et al, 2021).往々にして製造困難な構造を解として出力するトポロジー最適化は積層造形と相性が良く,このような 背景も相まって繊維強化複合材のトポロジー最適化は注目を集めている. トポロジー・配向最適化においては繊維配向角が一定の区間中の任意の角度を取り得るとした Continuous Fiber Orientation Optimization(CFAO) と ,配 向 角 が 取 り 得 る 角 度 を 複 数 事 前 に 指 定 す る Discrete Material Optimization(DMO) の二つのアプローチに大別される (Luo and Guest, 2021).本論文では前者を採用すること から,本節では CFAO 型トポロジー・配向最適化に関する先行研究を紹介する.Kim らや Lee らは剛性最大化問 題やコンプライアントメカニズム創生問題を対象に繊維体積制約を含んだ離散及び連続の繊維配向角を最適化可 能な二次元トポロジー最適化手法を構築した ( (Lee et al, 2018), (Kim et al, 2021)).Nomura らは配向の最適化に ついて配向テンソル場の要素を設計変数とすることで数値的に安定な最適化手法を構築している (Nomura et al, 2019).Takezawa らは金属積層造形時に発生する強度の異方性に注目し,直交異方的な Ni 結晶粒の配向を最適化 することで等方的で高剛性なラティス構造を設計する手法を構築した (Takezawa et al, 2019).Schmidt らは静的問 題に対して,勾配法と焼きなまし法を組み合わせた配向最適化法を大規模な三次元問題に適用している (Schmidt et al, 2020).Moter らは 3D プリントされた熱可塑性ポリマーを対象に,応力制約下のトポロジー・配向最適化を 行っている (Moter et al, 2021).Eckrich らは繊維配向は最大主応力方向に向くと仮定しながらも,密度フィルタを 介した繊維強化複合材の製造性制約下の剛性最大化を対象とした最適化を行っている (Eckrich et al, 2022).Huang らは製造制約下のトポロジー・配向最適化に加え,ハミルトン経路に基づいた連続繊維曲線の生成法を提案し,実 験的に有効性を実証している (Huang et al, 2022). しかし,これらの研究は全て確定論的な問題を扱っており,不確実性を考慮したトポロジー・配向同時最適化に 関する研究例は少ない.DMO アプローチにおいては,Xu らは荷重の大きさや方向の不確実性を考慮した最適化 法を多層複合材にまで展開している (Xu et al, 2019).CFAO アプローチにおいては,Chu らはやはり荷重に関す る不確実性を考慮したトポロジー・配向最適化をクリギング近似モデルを用いて効率的に実行する手法を提案し ている (Chu et al, 2021) (Svanverg, 1987) と Phase-Field 法 (Takezawa et al, 2010)…”
Section: 異方性を持つ.よって繊維配向を適切に最適化することで,高価な複合材料を最大限効率的に使用できる.unclassified
“…To restrict the maximum curvature, slope constraints as well as convolution filters can be used, as shown in Greifenstein and Stingl (2016). Nevertheless, CFAO results can be still quite far away from fiber printing paths, with a number of publications studying different postprocessing techniques to obtain continuous fiber paths from orientation fields (see Papapetrou et al 2020;Boddeti et al 2020;Fedulov et al 2021;Fernandes et al 2021). Another notable method to introduce manufacturing constraints into CFAO is detailed in Tian et al (2019), which uses angular constraints similar to slope constraints to mimic gap overlap and curvature constraints for tow-steered composite panels.…”
Section: Introductionmentioning
confidence: 99%