Kwaliteit van thermoplastische prepreg-tape waarborgen voor superieure deel-procescontrole

Zowel de luchtvaart- als automobielindustrie zijn geïnteresseerd in toepassingen met thermoplastische prepreg-tapes. Zoals verwacht kan worden, wordt de kwaliteit van de afgeronde onderdelen significant beïnvloed door de kwaliteit van het grondmateriaal voor het laminaat. Hoewel thermoplastische prepreg-tapes al decennia gebruikt worden, is de druk op kwaliteit geïntensificeerd naarmate velen zoeken te consolideren in-situ, zonder verdere toepassing van druk of hitte. De Franse engineering en geavanceerde productie R&T-organisatie Cetim (Nantes, Frankrijk) heeft een systeem ontwikkeld voor kwaliteitszorg van deze materialen, wat op zijn beurt de kwaliteitscontrole voor afgeronde onderdelen verhoogt.

Tape-kwaliteit noodzakelijk voor in-situ consolidatie

Cetim heeft diverse technologieën ontwikkeld voor het produceren van thermoplastische composietonderdelen. Eén omvat een laser-filament-winding-machine voor thermoplastische prepreg-tapes. Het doel voor de machine is om tank- en buis-toepassingen te produceren die, tot nu toe, beperkt waren tot metallische en thermohardende composietmaterialen.

Dit thermoplastische winding-proces is gebaseerd op hetzelfde concept als thermohardende filament-winding, maar met een andere, in-situ, consolidatiestap. Voor thermoplastische composites, een laser - zoals die gebruikt wordt met geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) van thermoplastische prepreg-tape - verhit een specifiek gebied van de tape om de thermoplastische matrix tot zijn smeltpunt te brengen. In deze smelttemperatuur-regio wordt consolidatie van de tape bereikt terwijl de matrix gesmolten is met druk toegepast door een trommel. Opeenvolgende lagen van het onderdeel worden gestapeld en geconsolideerd tijdens het winden.

Echter, zoals de industrie heeft ontdekt tijdens de ontwikkeling van geautomatiseerde plaatsingsmethoden over het afgelopen decennium, is het om onderdelen met betrouwbare eigenschappen en prestaties te produceren, noodzakelijk om het thermische en fysisch-chemische gedrag van deze thermoplastische tapes te begrijpen. Bijvoorbeeld, de tape moet constante afmetingen en zeer lage porositeit hebben om temperatuurschommelingen tijdens toepassing te vermijden die kunnen leiden tot slechte consolidatie tussen lagen.

Dus, om te slagen in zijn thermoplastische composiet-procesontwikkeling en de kwaliteit van in-situ geconsolideerde onderdelen efficiënt te evalueren, heeft Cetim vier kwaliteitszorgcontroles ontwikkeld over de gehele productiecyclus: dimensioneel (zoals ontvangen), thermisch (zoals verhit), inline (zoals geconsolideerd) en de energie die nodig is om tape-lagen na consolidatie uit elkaar te trekken.

Dimensionele controle

Deze eerste controle vindt plaats voor gebruik. Het doel is om snel tape-dikte en -breedte langs de lengte te evalueren. De testmachine is uitgerust met een laser, een camera om het gereflecteerde lasersignaal te vangen en een sensor om de afgerolde lengte van de tape te meten. Het proces omvat het afrollen van de tape van de as-geleverde spoel op een lege spoel. Tijdens dit proces leveren de laser en camera lichtdata over de breedte van de tape en langs de volledige gemeten lengte. De verwerkingssoftware interpreteert de data en toont, in real-time, een grafiek van variatie in tape-breedte langs de x-as en in tape-dikte langs de y-as (Fig. 1). Dit maakt het mogelijk om visueel breedte- of dikte-defecten te detecteren, en de machinesoftware toont automatisch waarschuwingen wanneer dimensionele toleranties worden overschreden. Na testvoltooiing is data van tape-breedte- en dikte-variaties eenvoudig op te halen (tabel in Fig. 1), en is het ook mogelijk om statistische verwerking toe te passen.

Thermische en micrografische controles

De tweede controle evalueert defecten die de thermische gedrag van de tape tijdens verhitten (in dit geval, door laser) beïnvloeden, inclusief dimensionele verandering, hechting/delaminatie tussen vezels en matrix, porositeit en oppervlakteconditie voor productie. De techniek omvat het scrollen van de tape voor een laag-vermogen laser en het gebruik van een thermische camera om een beeld van de temperatuursvariaties te vangen. Deze inhomogeniteiten in verwarmen identificeren defecte gebieden waar porositeit, droge vezels of oppervlakte-roughness de lokale thermische gedrag wijzigen. Na dataverwerking is het mogelijk om beelden te krijgen die een ruimtelijke voorstelling tonen van de thermische respons van de tape (Fig. 2), inclusief afwijkingen, waar rood gebieden vertegenwoordigt die warmer zijn en blauw gebieden die kouder zijn dan de gewenste verwerkingstemperatuur.

Het is ook mogelijk om een grafiek te tonen van proces-tijd (x-as) versus tape-temperatuur (y-as, Fig. 2). Cetim heeft deze resultaten gecorreleerd aan porositeitsmeting van micrografen van tape-secties. Dit zijn secties van tape zoals ontvangen en/of secties van eindonderdelen die waargenomen worden onder een digitale microscoop, wat kwalitatieve informatie oplevert zoals vezelverdeling, specifiek type defecten, porositeit, etc. Hoewel nuttig om de correlatie tussen tape-temperatuurrespons en deelkwaliteit te vestigen, zijn deze micrografische inspecties duur, destructief en laten ze de tape alleen sectie voor sectie analyseren, niet continu over de gehele lengte.

Echter, Cetim heeft dit onderzoekswerk voltooid, correlerend resultaten van de tape-temperatuurrespons-test met micrografische sectieresultaten. Deze resultaten tonen de effectiviteit van deze rijke controle voor thermoplastische tapes, en nog efficiëntere dataverwerking is in ontwikkeling.

Inline-controle

Deze controle bestaat uit het bepalen of het geproduceerde deel compliant is direct, inline tijdens het productieproces. Deze operatie is gebaseerd op directe monitoring van essentiële productieparameters zoals gemeten temperaturen, laservermogen, tapesnelheid en rol-druk op de tape. De digitale verwerking van deze data biedt een visuele en automatische synthese van productiekwaliteit.

CETIM heeft een dashboard ontwikkeld om een overzicht te geven van de procesparameters tijdens de hele fabricage. Data-analyse wordt gedaan met MATLAB-software en stelt implementatie van een alert-drempel in alsoom inzoomen op het out-of-scope-gebied voor analyse van de oorsprong van afwijking (bijvoorbeeld, tape-kwaliteit, geometrische mismatch, of machine-defect).

Het wordt gezegd bijzonder effectief te zijn voor monitoring van productie van onderdelen met eenvoudige geometrieën (bijvoorbeeld een plaat, buis of ring); het is echter complexer om te genereren voor complexe geometrie-onderdelen.

Peel-test

Deze laatste controle is ontwikkeld door Cetim in samenwerking met testbank-specialist LF Technologies (Saint-Hilaire-de-Riez, Frankrijk). Het stelt, in slechts enkele minuten, de beoordeling van tussenlaag-hechting van de tapes in staat. Metingen worden gemaakt op specimen "ringen" genoemd, die geproduceerd worden door winden en in-situ consolideren van diverse ronden tape om een eenvoudige buis. Deze geconsolideerde ringen worden dan op de linkertrommel van de testmachine geplaatst (Fig. 3) en afgerold met de rechtertrommel. Meerdere parameters kunnen aangepast worden inclusief snelheid en peel-hoek, de laatste via een arm met een rol aan het einde. Eenmaal de test voltooid, extraheert een geautomatiseerd dataverwerkingssysteem de verandering in peel-energie over de lengte van de afgerolde tape en graficeert de data. Deze test stelt een relatief snelle en laagkost evaluatie van optimale productieparameters in staat.

Product- en procescontrole verhogen

Het controleren van de kwaliteit van thermoplastische prepreg-tape stelt composiet-deelfabrikanten in staat de kwaliteit van hun producten te controleren. Non-compliance in een van deze controles maakt het mogelijk om de oorsprong van het probleem te bepalen en daardoor het effectief en snel te corrigeren. Inderdaad, deze controles bieden een kwaliteitszorg-stroomdiagram van een soort:

• Komt het probleem van het tape-grondmateriaal?
  Verifieer via dimensionele en thermische controles gecorreleerd met beperkte sectie micrografische analyse.
• Komt het probleem van het productiestadium?
  Verifieer via inline-inspectie en peel-testen.

Met deze controles kan Cetim efficiënt materiaal-benchmarks voltooien om de meest geschikte tapes voor een gegeven toepassing te selecteren. De tabel in Fig. 4 illustreert een voorbeeld, het evalueren van de beste koolstofvezel/PEEK-tape voor een high-performance composieten-toepassing. Een ander voorbeeld is nog in uitvoering, Cetim's evaluatie van laagkost-tape voor de ontwikkeling van thermoplastische composiet-waterstofopslagtanks voor toekomstige brandstofcel-voertuigen. Cetim is betrokken bij R&D-projecten die de relatieve voordelen van thermoplastisch vergeleken met huidige thermohardende composiet-drukvaats evalueren. Cetim werkt binnen het kader van privé-onderzoeksovereenkomsten met diverse bedrijven wereldwijd om toepassing van thermoplastische in-situ consolidatie te ontwikkelen.

Over de Auteurs

Damien Guillon trad Cetim in 2009 na een luchtvaart-engineering-graad en een Ph.D. over het crash-gedrag van composietmaterialen te hebben behaald. Hij werkte als manager van het testlaboratorium en als composiet-ontwerp-expert voordat hij R&D-manager van de polymeren & composieten-team werd.

Yoann Le Friant en Luc Poitevin traden Cetim als R&D-projectmanagers, in 2018 en 2017 respectievelijk, na Master's graden in mechanische engineering te hebben behaald. Le Friant's huidige werk omvat levensduurvoorspelling van polymer-onderdelen en controle van thermoplastische tape-kwaliteit. Hij is ook verantwoordelijk voor Cetim's materiaalkeuze-advies. Poitevin werkt aan onderdeelontwikkeling voor de ruimtevaartindustrie met thermoplastische processen en integratie van complexe functies.