日本大学 様：複合材料の開発から製造まで プロセス全体の研究を行っています

生産工学部は、日本でただ１つ日本大学のみに設置されている学部で、本学部の特長は産業界に近い位置づけの教育と研究であり、「ものづくり」を俯瞰して経営学の視点から工学を考える教育を⾏っています。
自動車やエネルギー、まちづくり、建築、環境、デザイン、企業経営に至るまで、生産工学は、様々な分野に広がり、身近な暮らしや産業の中に息づいています。なかでも機械工学は、自動操縦車両や超軽量航空機、ものづくりのための新技術等、あらゆるシーンで生産活動の基盤を支えています。近年、機械や人間、自然環境との調和が重要視される中、長期的、広域的視野、そして経営感覚を持った技術者の育成を目指しています。

当研究室は、機械工学科のなかでも力学系の研究室であり、研究テーマとしては、先進複合材料の素材開発・成形方法の開発ならびに軽量構造設計のためのCAE技術に関する研究を行っています。
また、2019年4月、日本大学生産工学部内に「次世代複合材リサーチ・センター」が発足し、私がセンター長となりました。この次世代複合材リサーチ・センターの研究員の所属学科は、機械工学科、電気電子工学科、建築工学科、応用分子化学科、創生デザイン学科と多岐にわたっており、学科・分野を横断した複合材料の研究テーマに取り組んでいます。
日本大学理工学部、松戸歯学部と共同で研究を進めているテーマもあります。今年度の主な研究テーマは下記の8項目となっていますが、自動車分野だけではなく、土木・建築、医療・歯科分野の研究もあります。

特に力を入れているのが（1）（2）（7）（８）です。
（7）は松戸歯学部と共同で透明コンポジットの歯科矯正ワイヤーの研究を進めています。図1で金属製ワイヤーとGFRTP製矯正ワイヤーの両方の写真を載せていますが、図1（b）GFRTP製矯正ワイヤーのほうが目立たなくなっていることがおわかりいただけるかと思います。

次世代複合材リサーチ・センターの主な研究設備は津田沼校舎のハイテク・リサーチ・センターにあります。以下に代表的な装置について紹介します。

このほかにも、ホットプレス、万能試験機、疲労試験機、クリープ試験装置、示差走査熱量測定装置、エネルギー分散型X線分析装置、走査型電子顕微鏡、粘度計、動的粘弾性測定装置などの設備を利用して研究を進めています。

ほかの大学の複合材料研究は分析や解析がメインですが、当研究室ではモノを作るところから行っています。特に複合材料はテーラーメイドのマテリアルなので、作る段階の様々な要因によって物性値が極端に変わります。例えば配置する繊維の方向が少し変わるだけで剛性や強度が全く変わってしまいます。
当研究室では、日本の大学では珍しく素材の開発から、構造部材の成形プロセスの開発、さらに解析評価まで、複合材料の開発プロセスの最初から最後までの統合的な研究・開発を行っています。

次世代複合材リサーチ・センターでは、複合材料の材料設計と軽量構造体の強度・剛性設計を支援するためのツールとしてCAEを導入しています。従来行われていた複合材の試作・成形品の実験の代わりに、コンピュータ上の試作品を用いてシミュレーションを行い、複合材料の性能評価・分析を行うことを目的としています。
特に、従来では計測が困難であった複合材料の異方性の材料物性値を数値解析モデルによる仮想的な材料試験により算出することができます。また、図10に示すように、マクロ構造モデルの解析結果からミクロ構造モデルの局所化解析など、ミクロ・マクロ構造のマルチスケール解析も行うことができます。
このマルチスケール解析を利用することによって、従来の材料物性値算出に必要であった材料試験を行うことなく、複合材料のミクロ構造の材料物性値を算出し、その結果からマクロ構造の解析を行い、再度ミクロ構造内部の微視的な挙動の解析を行うことができます。これら一連の解析フローは、製造業の現場でも有用であると考え、汎用ツール化するための共同開発プロジェクトを、東北大学 寺田賢二郎教授と株式会社くいんと、サイバネットシステム株式会社と立ち上げました。共同研究の成果物は、Multiscale.Simという製品名でサイバネットシステムから販売されています。現在もメンテナンスはもちろん、新機能の開発も精力的に継続しています。

Ansys製品は、アカデミックライセンスを30ライセンス導入しています。大学の一研究室のライセンス数としては多いと思いますが、基本的には大学院生だけでなく学部生にも1人で１ライセンスを使用して研究と教育を行っています。この理由は、実際に機械工学科の卒業生は就職した企業で設計・開発業務に携わる学生が圧倒的に多く、そのような場合にはAnsysのようなCADと統合された数値解析ソフトの使用が前提としてあるからです。学部2年で手動による製図の基礎を学び、3年でCADとCAE（Computer Aided Engineering）の基礎を学び、4年生の卒研では研究の実用的なツールとしてCAEを学んでほしいと考えています。
私、個人的にはAnsysのAPDL言語やユーザーサブルーティンに代表されるようなカスタマイズ機能の充実ぶりに感銘を受けて導入しました。現在では、研究業務において必須のツールとなっています。

Ansysを活用した解析事例を4つご紹介いたします。

日本大学生産工学部は、工学系の学部のなかでも産業界に非常に近い位置にある学部で、我々のリサーチ・センターでも、これまでに産業界と共同で取り組んできた研究成果、過去の大型研究プロジェクトで導入されたFRPの成形装置や評価・分析装置が多くあります。それらの生産工学部の財産をベースとして、産業界で実業に貢献できる複合材料の研究センターを目指し、企業との共同研究、委託研究を積極的に行っていきます。複合材料を用いた研究開発で課題を持っている企業の方は、ご相談いただければと思います。