部品プロセス制御のための熱可塑性プリプレグテープ品質の測定
航空宇宙産業と自動車産業の両方が、熱可塑性プリプレグテープを使用するアプリケーションに関心を持っています。予想されるように、完成部品の品質は、ラミネートの原材料の品質に大きく影響されます。熱可塑性プリプレグテープは何十年にもわたって使用されてきましたが、多くの人が圧力や熱をさらに加えることなくその場で固化しようとするにつれて、品質への要求が強まりました。フランスのエンジニアリングおよび高度な製造のR＆T組織であるCetim（フランス、ナント）は、これらの材料の品質保証システムを開発しました。これにより、完成部品の品質管理が向上します。
現場での統合に必要なテープ品質
Cetimは、熱可塑性複合部品を製造するためのいくつかの技術を開発しました。 1つは、熱可塑性プリプレグテープ用のレーザーフィラメントワインディングマシンです。この機械の目標は、これまで金属および熱硬化性複合材料に限定されていたタンクおよびチューブの用途を製造することです。
この熱可塑性巻線プロセスは、熱硬化性フィラメント巻線と同じ概念に基づいていますが、その場での固化ステップが異なります。熱可塑性複合材料の場合、熱可塑性プリプレグテープの自動ファイバー配置（AFP）で使用されるようなレーザーは、テープの特定の領域を加熱して、熱可塑性マトリックスをその融点まで上昇させます。この溶融温度領域では、ドラムによって加えられた圧力でマトリックスが溶融している間に、テープの固化が達成されます。パーツの連続する層は、巻き取り中に積み重ねられ、統合されます。
ただし、業界が過去10年間の自動配置方法の開発中に発見したように、信頼できる特性と性能を備えた部品を製造するには、これらの熱可塑性テープの熱的および物理化学的挙動を理解する必要があります。たとえば、テープは、層間の固結が不十分になる可能性のある塗布中の温度変動を避けるために、一定の寸法と非常に低い多孔性を備えている必要があります。
したがって、熱可塑性複合プロセスの開発に成功し、現場での統合部品の品質を効率的に評価するために、Cetimは、製造サイクル全体にわたって4つの品質保証チェックを開発しました。統合時）および統合後にテープ層を剥がすのに必要なエネルギー。
寸法管理
この最初のチェックは、使用前に行われます。その目的は、テープの長さに沿ったテープの厚さと幅をすばやく評価することです。試験機には、レーザー、反射したレーザー信号を捕らえるカメラ、巻尺の長さを測定するセンサーが装備されています。このプロセスには、出荷時のスプールから空のスプールにテープを巻き戻すことが含まれます。このプロセス中、レーザーとカメラは、テープの幅全体および測定された完全な長さに沿って光データを提供します。処理ソフトウェアはデータを解釈し、x軸に沿ったテープ幅とy軸に沿ったテープ厚さの変化のグラフをリアルタイムで表示します（図1）。これにより、幅や厚さの欠陥を視覚的に検出することが可能になり、寸法公差を超えると、マシンソフトウェアが自動的にアラートを表示します。テスト完了後、テープの幅と厚さの変動のデータを簡単に取得でき（図1の表）、統計処理を適用することもできます。
熱および顕微鏡制御
2番目のチェックでは、寸法変化、繊維とマトリックス間の接着/層間剥離、多孔性、表面状態など、加熱中（この場合はレーザーによる）のテープの熱的挙動に影響を与える欠陥を評価します。 製造。この手法では、低出力レーザーの前でテープをスクロールし、サーマルカメラを使用して発生した温度変化の画像をキャプチャします。加熱におけるこれらの不均一性は、多孔性、乾燥繊維、または表面粗さが局所的な熱的挙動を変更する欠陥領域を特定します。データ処理後、偏差を含むテープの熱応答の空間表現を示す画像を取得できます（図2）。ここで、赤は暖かい領域を表し、青は望ましい処理温度よりも冷たい領域を表します。
プロセス時間（x軸）とテープ温度（y軸、図2）のグラフを表示することもできます。 Cetimは、これらの結果をテープセクションの顕微鏡写真からの気孔率測定と相関させました。これらは、受け取ったテープのセクションおよび/またはデジタル顕微鏡で観察される最終部品のセクションであり、繊維の分布、特定の種類の欠陥、多孔性などの定性的な情報を提供します。ただし、テープの温度間の相関関係を確立するのに役立ちます。応答と部品の品質、これらの顕微鏡検査は費用がかかり、破壊的であり、テープをセクションごとに分析することしかできず、全長にわたって連続的に分析することはできません。
ただし、Cetimはこの調査作業を完了し、テープの温度応答テストの結果を顕微鏡写真セクションの結果と相関させました。これらの結果は、熱可塑性テープに対するこの豊富な制御の有効性を示しており、さらに効率的なデータ処理が開発されています。
インラインコントロール
この制御は、製造中の部品が製造プロセス中にインラインで直接準拠しているかどうかを判断することで構成されます。この操作は、測定された温度、レーザー出力、テープ速度、テープ上のローラー圧力などの重要な製造パラメーターの直接監視に基づいています。このデータのデジタル処理は、製造品質の視覚的かつ自動合成を提供します。
CETIMは、製造全体のプロセスパラメータの概要を示すダッシュボードを開発しました。データ分析はMATLABソフトウェアを使用して行われ、アラートしきい値の実装と、偏差の原因（テープの品質、幾何学的な不一致、マシンの誤動作など）の分析のために範囲外の領域にズームインすることができます。
単純な形状の部品（プレート、チューブ、リングなど）の生産を監視するのに特に効果的であると言われています。ただし、複雑なジオメトリパーツの生成はより複雑です。
ピールテスト
この最終チェックは、テストベンチのスペシャリストであるLF Technologies（Saint-Hilaire-de-Riez、フランス）と共同でCetimによって開発されました。わずか数分で、テープの層間接着性の評価が可能になります。測定は、「リング」と呼ばれる試験片で行われます。この試験片は、単純なチューブに数ラウンドのテープを巻き付け、その場で固めることによって製造されます。次に、これらの統合されたリングをテストマシンの左側のドラムに配置し（図3）、右側のドラムを使用して巻き戻します。速度や剥離角度など、複数のパラメータを調整できます。後者は、端にローラーが付いたアームを介して調整できます。テストが完了すると、自動データ処理システムが、巻き戻されたテープの長さ全体にわたる剥離エネルギーの変化を抽出し、データをグラフ化します。このテストにより、最適な製造パラメータの比較的迅速で低コストの評価が可能になります。
製品とプロセスの制御を強化する
熱可塑性プリプレグテープの品質を管理することで、複合部品メーカーは製品の品質を管理できます。これらのコントロールの1つに準拠していないと、問題の原因を特定できるため、問題を効果的かつ迅速に修正できます。実際、これらのチェックは、ある種の品質保証フローチャートを提供します。
- 問題はテープの原材料に起因しますか？
限られたセクションの顕微鏡写真分析と相関する寸法および熱チェックを通して検証します。 - 問題は製造段階に起因しますか？
インライン検査と剥離テストで確認します。
これらのチェックにより、Cetimは材料のベンチマークを効率的に完了して、特定のアプリケーションに最適なテープを選択できます。図4の表は、高性能複合材料アプリケーションに最適な炭素繊維/ PEEKテープを評価する1つの例を示しています。別の例はまだ進行中です。将来の燃料電池車用の熱可塑性複合水素貯蔵タンクの開発のための低コストテープのCetimによる評価です。 Cetimは、現在の熱硬化性複合圧力容器と比較した熱可塑性樹脂の相対的な利点を評価する研究開発プロジェクトに従事しています。 Cetimは、世界中のいくつかの企業との民間研究契約の枠組みの中で、熱可塑性プラスチックの現場統合のアプリケーションを開発しています。
著者について
ダミアン・ギヨンは、航空工学の学位と博士号を取得した後、2009年にセティムに入社しました。複合材料の衝突挙動に関する研究。彼は、ポリマーおよび複合材料チームのR＆Dマネージャーになる前に、テストラボのマネージャーおよび複合材料設計の専門家として働いていました。
Yoann LeFriantとLucPoitevinは、機械工学の修士号を取得した後、それぞれ2018年と2017年にR＆DプロジェクトマネージャーとしてCetimに加わりました。 Le Friantの現在の作業には、ポリマー部品の寿命予測と熱可塑性テープの品質管理が含まれます。彼はまた、Cetimの材料選択コンサルタントを担当しています。 Poitevinは、熱可塑性プロセスと複雑な機能の統合を使用して、宇宙産業向けの部品開発に取り組んでいます。
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