熱可塑性プリプレグテープの品質確保で優れた部品プロセス制御を実現

航空宇宙と自動車の両業界が、熱可塑性プリプレグテープを用いた用途に関心を寄せています。予想通り、完成部品の品質はラミネート原料であるテープ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数十年前から使用されてきましたが、圧力や熱の追加適用なしでインサイチュ凝固を目指す動きが強まる中、品質への要求が高まっています。フランスのエンジニアリング・先進製造R&T機関であるCetim（フランス・ナント）が、これらの材料の品質保証システムを開発し、完成部品の品質管理向上につなげています。

インサイチュ凝固に必要なテープ品質

Cetimは熱可塑性複合材部品製造のための複数技術を開発しています。その一つが、熱可塑性プリプレグテープ用レーザーフィラメントワインディングマシンです。このマシンの目標は、これまで金属と熱硬化性複合材に限られていたタンクとチューブ用途の製造を可能にすることです。

この熱可塑性ワインディングプロセスは、熱硬化性フィラメントワインディングと同じ概念ですが、異なるインサイチュ凝固ステップを採用します。熱可塑性複合材では、レーザー（熱可塑性プリプレグテープの自動ファイバープレイスメント（AFP）で使用されるものと同様）がテープの特定領域を加熱し、熱可塑性マトリックスを融点まで上昇させます。この溶融温度領域で、ドラムによる圧力適用下でテープの凝固が達成されます。部品の連続層がワインディング中に積層・凝固されます。

しかし、過去10年間の自動配置法開発で業界が発見したように、信頼性のある特性と性能を持つ部品を製造するには、これらの熱可塑性テープの熱的・物理化学的挙動を理解する必要があります。例えば、テープは一定の寸法と極めて低い気孔率を持たなければならず、そうでなければ施工中の温度変動により層間凝固不良を招きます。

したがって、熱可塑性複合材プロセス開発を成功させ、インサイチュ凝固部品の品質を効率的に評価するため、Cetimは製造サイクル全体で4つの品質保証チェックを開発しました：寸法（受入時）、熱的（加熱時）、インライン（凝固時）、凝固後のテープ層剥離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実施され、テープの厚みと幅を長手方向に沿って迅速に評価することを目的とします。試験機はレーザー、反射レーザー信号を捉えるカメラ、テープ展開長を測定するセンサーを装備。プロセスは、出荷時スプールから空スプールへテープを展開する過程で行われます。この過程でレーザーとカメラがテープ幅全体と全測定長にわたる光データを取得。処理ソフトウェアがデータを解釈し、テープ幅の変動をx軸、厚み変動をy軸にリアルタイムグラフ表示します（図1）。これにより幅・厚み欠陥を視覚的に検出でき、機械ソフトウェアが寸法公差超過時に自動アラートを表示します。試験完了後、テープ幅と厚み変動データを容易に取得可能（図1の表）、統計処理も適用できます。

熱的・微細構造管理

2番目のチェックは、加熱時（この場合レーザー）のテープ熱的挙動に影響する欠陥を評価します。寸法変化、繊維とマトリックス間の接着/剥離、気孔率、製造前の表面状態などが対象です。手法は、低出力レーザー前でテープをスクロールさせ、熱画像カメラで生成される温度変動画像を取得するものです。加熱の不均一性が、気孔、ドライファイバー、表面粗さによる局所的熱挙動変化を示す欠陥領域を特定します。データ処理後、テープの熱応答の空間表現画像（図2）が得られ、赤は希望加工温度より高温、青は低温領域を示します。

プロセス時間（x軸）対テープ温度（y軸）のグラフ表示も可能です（図2）。Cetimはこれらの結果を、テープ断面の微細構造写真からの気孔測定と相関付けました。これらは受入時テープ断面および/または最終部品断面をデジタル顕微鏡で観察したもので、繊維分布、欠陥タイプ、気孔率などの定性情報を提供します。テープ温度応答と部品品質の相関確立に有用ですが、これらの微細構造検査は高コスト・破壊的で、テープ全長を連続的にではなく断面ごとにしか分析できません。

しかし、Cetimはこの調査を完了し、テープ温度応答試験結果と微細構造断面結果を相関付けました。これらの結果は、熱可塑性テープ向けこの豊富な管理手法の有効性を示し、さらに効率的なデータ処理も開発中です。

インライン管理

この管理は、製造中の部品が適合しているかを、製造プロセス中に直接インラインで判断するものです。測定温度、レーザー出力、テープ速度、テープへのローラー圧力など、本質的な製造パラメータの直接監視に基づきます。このデータのデジタル処理により、製造品質の視覚的・自動的な総合評価が可能になります。

CETIMは、製造全体のプロセスパラメータを俯瞰するダッシュボードを開発しました。データ分析はMATLABソフトウェアで実行し、アラート閾値の実装や、逸脱領域へのズームインによる逸脱原因分析（テープ品質、幾何学的ミスマッチ、機械故障など）が可能です。

比較的単純な形状部品（プレート、チューブ、リングなど）の生産監視に特に効果的ですが、複雑形状部品では生成がより複雑になります。

ピール試験

この最終チェックは、Cetimが試験台専門企業LF Technologies（フランス・サンティレール・ド・リエ）と協力して開発しました。わずか数分でテープの層間接着を評価できます。測定は「リング」と呼ばれる試験片で行います。これはシンプルなチューブにテープを数周巻き付け、インサイチュ凝固して製造されます。これらの凝固リングを試験機の左ドラムにセット（図3）、右ドラムで展開します。速度やピール角度（端部ローラー付きアームで調整）など複数パラメータを調整可能。試験完了後、自動データ処理システムが展開テープ長にわたる剥離エネルギー変化を抽出しグラフ化。この試験で、最適製造パラメータを比較的迅速かつ低コストで評価できます。

製品とプロセス制御の強化

熱可塑性プリプレグテープの品質管理により、複合材部品メーカーは製品品質を管理できます。これらのチェックのいずれかで不適合があれば、問題の起源を特定し、効果的かつ迅速に是正できます。確かに、これらのチェックは一種の品質保証フローチャートを提供します：

• 問題はテープ原材料にあるか？
  寸法チェックと熱的チェックを、限定的断面微細構造分析と相関確認で検証。
• 問題は製造段階にあるか？
  インライン検査とピール試験で検証。

これらのチェックにより、Cetimは与えられた用途に最適なテープを選定するための材料ベンチマークを効率的に実施できます。図4の表は一例で、高性能複合材用途向け最適なカーボンファイバー/PEEKテープを評価しています。別の例として、将来の燃料電池車向け熱可塑性複合材水素貯蔵タンク開発のための低コストテープ評価が進行中です。Cetimは、世界中の複数企業との民間研究契約の枠組みで、熱可塑性インサイチュ凝固の応用開発に取り組んでいます。

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著者紹介

ダミアン・ギヨン氏は、航空工学学位と複合材料の衝突挙動に関する博士号取得後、2009年にCetim入社。試験室マネージャーと複合材設計エキスパートを経て、ポリマー・複合材チームのR&Dマネージャーを務めています。

ヨアン・ル・フリアン氏とリュック・ポワトヴァン氏は、機械工学修士取得後、それぞれ2018年と2017年にCetimのR&Dプロジェクトマネージャーとして入社。ル・フリアン氏の現在の業務には、ポリマー部品の寿命予測と熱可塑性テープ品質管理が含まれ、材料選定コンサルティングも担当。ポワトヴァン氏は、熱可塑性プロセスを用いた宇宙産業向け部品開発と複雑機能の統合に取り組んでいます。