複合材料は2種類以上の異なる成分からなる材料であり、伝統的な材料とは異なり、それらの性能と構造は同時に設計することができる。短切繊維強化複合材料（SFRC）は自動車、建築、航空宇宙などの分野に広く応用され、製造コストが低く、衝撃強度が高く、軽量、剛性と強度が高いなどの利点がある。しかし、繊維配向、製造プロセス、材料微細構造の複雑な影響により、その力学的性質を予測することは依然として挑戦的である。

本研究はThermo Fisher Scientific、Synopsys、3 DMagination、Waygate Technologies及びスイス北西応用科学技術大学高分子工学研究所が共同で展開した。研究チームはマイクロコンピュータ断層スキャン（microCT）と三次元画像分析、力学テスト及び数値モデリングを通じて、再生短炭素繊維強化ポリアミド11（rCF-PA 11）複合材料に対して系統的な特徴付けを行い、持続可能な製造における潜在力を探求した。

01.サンプル調製

再生T 700炭素繊維と生物系ポリアミド11（PA 11）をマトリックス材料として用い、製造プロセスは以下を含む：

1.T 700炭素繊維溶媒分解（solvolysis）、繊維サイズ調整（resising）

2.PA 11との混練複合（15 wt.%）

3.押出成形と3 D印刷成形

図1：再生炭素繊維の製造フロー概略図

印刷には9 T LabsのAdditive Fusion Technology（AFT）を使用し、この技術は連続積層印刷と高圧融合を結合し、緻密構造と高性能複合体を実現する。ヘッド温度、押出速度、層高を制御することにより、炭素繊維の分布が均一で損傷を受けないことを確保する。

その後、閉鎖金型に加熱と圧力を加えて融合処理を行い、層間孔を除去し、繊維−マトリックス界面結合力を高める。

図4：短繊維強化複合材料の応力−ひずみ曲線

02.力学性能試験

DIN 527-1標準を用いて0°と90°配向の試料を調製し、室温で準静的引張試験を行った。

結果表示：

• 0°方向サンプル：剛性が高く、脆性破壊、性能は主に繊維が主導する、

• 90°方向試料：初期剛性が低く、非線形性が顕著で、ポリマー主導特徴を示す、

• 同じ配向の試料間の差は極めて小さく、実験結果が良好な再現性を有することを示している。

03.高分解能CTスキャン

Waygate Technologies Phoenix V｜tome｜xM 300システムによる2回のCTスキャン：

• 全サンプルスキャン：繊維全体分布の解析（7.3µm³ボクセル）

• 局所高分解能スキャン：サンプル中央領域に注目する（2µm³ボクセル）

図5：3 D再構築のCT体積図と部分断面図

図6：高解像度CTスキャンのボリュームレンダリング結果

04.画像分割と繊維追跡

Thermo Scientificの利用™ Avizo™ 3 D ProソフトウェアのXFiberモジュールは、CT再構築データを分割し繊維中心線追跡する。このアルゴリズムはテンプレートマッチングと線追跡により単一繊維を抽出し、その長さ、配向、曲率と曲げ度を計算する。最終的に19.8万本を超える繊維データを得て、結果をテンソル形式でAnsysに導出して有限要素モデリングを行った。

図7：一本繊維分割と部分拡大図

図8：域内繊維配向分布図

図9：シミュレーション用の配向テンソルデータのエクスポート

ミクロCT画像と正確な追跡アルゴリズムを通じて、研究者は繊維の配向分布と界面特徴を定量化することができ、後続の力学モデリングと破断行為分析のために基礎を築くことができる。