(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動物の骨格系及び植物の分岐網等の生物形態から得られた三次元形態をモデリング化した生物形態データベースと、
前記生物形態データを数値化又は／及びモデル化した設計データベースとを備え、
前記設計データベースを活用し機械学習を用いた最適設計法により組紐機に用いるマンドレルを製作する製作手段と、
前記で製作されたマンドレルを用いて組紐機により製作する組紐構造からなる強化繊維プリフォームの製作手段と、
前記で製作された強化繊維プリフォームを用いた繊維強化樹脂部材の製作手段と、を有することを特徴とする設計・生産システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造部材等の製品の設計及び生産システムに関し、特に生物形態から得られるデータを設計技術に組み込んだバイオイノベーティブデザインに係る。
【背景技術】
【０００２】
生物は、様々な環境に対し、適応性，順応性及び学習性を有していることから、これらの形状，形態等を構造部材等の製品に応用することが重要であると指摘されているものの、これまでに具体的な機械設計への応用が提案されていない。
類似の生態系から創発された設計法として従来、「バイオインスパイアードデザイン」が提案されている。
これは材料の設計であったり、ロボットの動きであったりする場合が多く、単に「生態系の模倣」に近いものであった。
これに対してバイオイノベーティブデザインは、軽量化と高強度化という相反する関係を解決するため、生態系を単に模倣するのではなく、それを活用し、従来の設計技術をブレイクスルーする方法を研究・開発する革新的設計法を提供するものである。
本発明者らは、これにより生態系から得られる情報を進化させて新たな人工物を得ることを検討した。
また、構造部材等の機械部品や車両部品等の分野においては、軽量化，高強度等が環境負荷低減等の対応策として要求されている。
この軽量化，高強度化を達成する手段の１つとして、ＦＲＰ（繊維強化樹脂）が着目されている。
そこで本発明者らは、生物形態から得られるデータを設計情報として有効に活用するバイオイノベーティブデザインの実現化として、複雑な形状の構造部材を製作しやすい組紐技術によるＦＲＰ化を検討した。
【０００３】
特許文献１には、マンドレル等を有するブレイダーにより組成された組紐と樹脂とを複合化させた組物構造体を開示するが、生物形態情報に基づくものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１２６９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、生物の形態情報と機械学習を用いた最適設計法の組み合せによるバイオイノベーティブデザインからなる設計・生産システムの提供を目的とする。
さらには、生物形態情報と組紐技術を融合させた設計・生産システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る設計・生産システムは、動物の骨格系及び植物の分岐網等の生物形態から得られた生物形態データベースと、前記生物形態データを数値化又は／及びモデル化した設計データベースとを備え、前記設計データベースを活用した最適設計手段と、前記最適設計手段により得られた情報に基づいて製品が製造されることを特徴とする。
【０００７】
ここで、生物形態データベースとは、ＣＴ画像等に基づいて動物の骨格や植物の分岐網，展開機構等の三次元形態をモデリング化したデータを蓄積したものである。
上記生物形態データベースは、設計者に視覚によるアイディアを提供するものの、そのままでは荷重や境界条件が明確でない場合も多い。
そこで本発明は、生物形態から得られた個のデータを複合化したりして、数値化あるいはモデル化したデータを蓄積した設計データベースとしたものである。
これにより、この設計データベースを用いて、例えば「Ｒａｄｉａｌ  Ｂａｓｉｓ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ」ネットワーク等の機械学習を用いた最適設計法を用いて、軽量化，高強度化を目的とした最適設計を行うことができる。
この場合に、最適設計手段にて得られた情報は前記設計データベースにフィードバックされるのが好ましい。
これにより、最適解の探索により得られた仮想的なデータを設計データベースに追加，更新することができる。
【０００８】
上記により得られた製品の形状や構造は、生物特有の形態を進化させたものであり、複雑な形状をしていることも多い。
そこで本発明は、製品の製造に組紐技術を応用するのが好ましい。
組紐技術は、複数のボビンに巻かれた繊維糸をマンドレル上に交差させながら供給し、直接組物構造を形成することができ、糸の配向角度調整や中立糸の挿入により強度，弾性率等の制御が容易である。
これは、たて糸の準備が必要な織物や基本単位がループ状である編み物よりもコスト、製造時間、強度の観点から組紐の方が有利である。
これにより、製品は組紐構造からなる強化繊維プリフォームを用いた繊維強化樹脂部材であるようにすることができる。
また、組紐技術によれば、繊維強化樹脂部材は中空断面形状からなるシェル部と当該シェル部の内側に形成したリブ部とからなるようにすることもできる。
さらには、繊維強化樹脂部材は組紐構造からなる繊維層が複層に結束形成された強化繊維プリフォームを用いることもできる。
これにより、骨の骨密度分布等にも対応させた複雑な構造や形状にも対応できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る設計・生産システムは、生物形態情報を製品設計に有用活用することができ、軽量で高強度の製品設計に貢献できる。
また、組紐技術を融合化させることで、軽量，高強度に優れたＦＲＰ部材が得られる。
なお、ＦＲＰ部材は、グラスファイバーを強化繊維に用いてもよいが、カーボンファイバーを強化繊維に用いたＣＦＲＰ部材が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】生物形態のデータベースの一例を示す。
【図２】数値化した設計データベースの一例を示す。
【図３】解析モデル化した設計データベースの一例を示す。
【図４】設計データベースに基づいて最適化設計したパレート解析フロントの一例を示す。
【図５】最適設計に基づく繊維プリフォームの製造の流れの例を示す。
【図６】最適設計に基づくシミュレーション解析条件を示す。
【図７】図６に示した解析条件による解析結果を示す。
【図８】組紐の製造例を示す。
【図９】シェル＋リブ構造の繊維プリフォームを製造する場合のスピンドル配置及び移動構造例を示す。
【図１０】シェル＋リブ型の製品例を示す。
【図１１】シェル＋リブ構造の繊維プリフォームを製造する場合のスピンドル配置及び移動構造例を示す。
【図１２】層間に結束を有する複層の繊維層からなる繊維プリフォームを製造する場合のスピンドル配置及び移動構造例を示す。
【図１３】組紐構造のシェル要素（ＰＡＲＴ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ完全積分シェル要素）を用いたシミュレーション解析条件を示す。
【図１４】図１３に示した解析条件による解析結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る設計・生産システムの構成例を図に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００１２】
ＣＴ画像に基づく三次元形態モデリング技術を駆使して、動物の骨格をＣＴモデル化した生物形態データベースの一部を図１に示す。
この生物形態データベースに基づいて、指標として数値化した設計データベースの例を図２に示す。
また、解析モデル化した設計データベースの例を図３に示す。
これらのデータベースに基づいて、ＲＢＦ（Ｒａｄｉａｌ  Ｂａｓｉｓ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を用いた機械学習による最適設計法によって求めたパレートフロントの例を図４に示す。
このようにして、生物形態データベースを基に改良したパレートフロントが得られた。
なお、最適設計によって得られた解は、図２に示すように仮想データベースとしてフィードバックさせる。
【００１３】
最適設計によって得られた設計情報に基づいて、３Ｄプリンタによりマンドレルを製作し、これに組紐機を用いてブレーディングを行い、炭素繊維プリフォームに製造するプロセスを図５に示す。
炭素繊維プリフォームを金型に封入し、樹脂を注入するＲＴＭ成形（Ｒｅｓｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）等により、ＣＦＲＰ部材が得られる。
この場合に型内を真空にしたＶａＲＴＭ法を用いることもできる。
【００１４】
次に最適化された形状の効果をシミュレーションにて検証したので、以下説明する。
検討条件は、角柱モデルを比較参照モデルとした。
解析条件を図６に示す。
４点固定に対して曲げ荷重と圧縮荷重を負荷し、相当応力の最大値を比較した。
その解析結果を図７に示す。
これにより、機械学習を用いた最適設計法の有用性が検証された。
【００１５】
次に組紐技術による繊維プリフォームの製造例を説明する。
図８に示すように、繊維糸を巻き付けたボビンを有する外側と内側のスピンドルが交互に入れ替わりながら円周上に沿って移動することで、組紐が得られる。
また、スピンドルの移動経路（ａ〜ｄ）を図９のように設計すると、内層・外層の組紐構造の間にリブが形成され、さらに複雑な経路を移動させれば図１０に示すような外径形状を形成するシェル部１と、その内側をつなぐように形成したリブ部２からなる中空断面形状の繊維プリフォームを製造することができる。
これにより、骨の骨密度を反映した複雑な製品も製造できる。
この場合のスピンドル配置及び移動構造例を図１１に示す。
ａ〜ｄの４種類の経路でボビン（スピンドル）を動かし、組紐の層の間に中子を配置することでシェルーリブ構造になる。
また、図１２に示すようなａ〜ｄの４種類の経路に設定すれば、外層と内層の二層間が結束した複層の繊維層からなる強化繊維プリフォームが得られる。
【００１６】
次に組紐構造の解析及びその結果を説明する。
図１３にシェル要素（完全積分シェル要素）を用いたシミュレーション解析条件を示す。
図１３（ａ）は、レイヤー毎に板厚と材料定数を設定した場合の解析結果を示す。
図１３（ｂ），（ｃ）は、軟質層中に剛質層が点在した場合をモデル化したものであり、剛質層の点在割合により次のように想定した。
＜０％＞：単にシートを樹脂接着により積層したモデルを想定。
＜２５％＞：２５％の割合で層間に強化繊維による結合部分を有するモデルを想定。
＜５０％＞：５０％の割合で層間に強化繊維による結合部分を有するモデルを想定。
その解析結果を図１４に示す。
「単にシートを樹脂接着により積層したモデル」＜０％＞のミーゼス相当応力最大値９．６ＭＰａに対して、＜２５％＞，＜５０％＞モデルは、その値がそれぞれ８．１ＭＰａ，７．９ＭＰａと、約１６〜１８％の強度上昇が認められた。
これらのことから、本発明に係る設計・生産システムを用いると、生物形態情報を元に生態系の形態以上に強度，軽量化を図ることができる。
【符号の説明】
【００１７】
１      シェル部
２      リブ部
【図１】
0006614649.tif 000002
【図２】
0006614649.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006614649.tif 000008
【図８】
0006614649.tif 000009
【図９】
0006614649.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0006614649.tif 000014
【図１４】
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