부품 공정 제어를 위한 열가소성 프리프레그 테이프 품질 측정

항공우주 산업과 자동차 산업 모두 열가소성 프리프레그 테이프를 사용하는 응용 분야에 관심이 있습니다. 예상할 수 있듯이 완성된 부품의 품질은 라미네이트 원료의 품질에 크게 영향을 받습니다. 열가소성 프리프레그 테이프는 수십 년 동안 사용되어 왔지만 많은 사람들이 더 이상의 압력이나 열을 가하지 않고 현장에서 통합하려고 함에 따라 품질에 대한 요구가 강화되었습니다. 프랑스 엔지니어링 및 첨단 제조 R&T 조직인 Cetim(프랑스 낭트)은 이러한 재료의 품질 보증을 위한 시스템을 개발하여 완제품에 대한 품질 관리를 향상시켰습니다.

현장 통합에 필요한 테이프 품질

Cetim은 열가소성 복합 부품 생산을 위한 여러 기술을 개발했습니다. 하나는 열가소성 프리프레그 테이프용 레이저 필라멘트 와인딩 머신으로 구성됩니다. 이 기계의 목표는 지금까지 금속 및 열경화성 복합 재료로 제한되었던 탱크 및 튜브 응용 제품을 제조하는 것입니다.

이 열가소성 와인딩 프로세스는 열경화성 필라멘트 와인딩과 동일한 개념을 기반으로 하지만 현장 통합 단계가 다릅니다. 열가소성 복합 재료의 경우 열가소성 프리프레그 테이프의 자동 섬유 배치(AFP)와 함께 사용되는 레이저와 같은 레이저가 테이프의 특정 영역을 가열하여 열가소성 매트릭스를 융점까지 증가시킵니다. 이 용융 온도 영역에서 테이프의 통합은 드럼에 의해 가해진 압력으로 매트릭스가 용융되는 동안 달성됩니다. 부품의 연속 레이어는 와인딩하는 동안 쌓이고 통합됩니다.

그러나 지난 10년 동안 업계에서 자동 배치 방법을 개발하는 동안 발견한 것처럼 안정적인 특성과 성능을 가진 부품을 생산하려면 이러한 열가소성 테이프의 열 및 물리-화학적 거동을 이해해야 합니다. 예를 들어, 테이프는 적용 중 온도 변동을 방지하기 위해 치수가 일정하고 다공성이 매우 낮아야 레이어 간의 통합이 제대로 이루어지지 않을 수 있습니다.

따라서 열가소성 복합재 공정 개발에 성공하고 현장에서 통합된 부품의 품질을 효율적으로 평가하기 위해 Cetim은 전체 제조 주기에 걸쳐 4가지 품질 보증 검사를 개발했습니다. 치수(받은 대로), 열(가열된 대로), 인라인( 통합 후) 및 통합 후 테이프 층을 떼어내는 데 필요한 에너지.

차원 제어

이 첫 번째 확인은 사용 전에 수행됩니다. 그 목적은 길이를 따라 테이프 두께와 너비를 신속하게 평가하는 것입니다. 시험기는 레이저, 반사된 레이저 신호를 포착하는 카메라 및 테이프의 풀린 길이를 측정하는 센서가 장착되어 있습니다. 이 프로세스는 선적된 스풀에서 빈 스풀로 테이프를 푸는 것으로 구성됩니다. 이 과정에서 레이저와 카메라는 테이프의 너비와 전체 측정된 길이를 따라 빛 데이터를 제공합니다. 처리 소프트웨어는 데이터를 해석하고 실시간으로 x축을 따른 테이프 너비 및 y축을 따른 테이프 두께의 변화 그래프를 표시합니다(그림 1). 이를 통해 너비 또는 두께 결함을 시각적으로 감지할 수 있으며 치수 허용 오차를 초과하면 기계 소프트웨어가 자동으로 경고를 표시합니다. 테스트 완료 후 테이프 너비 및 두께 변화 데이터를 쉽게 검색(그림 1의 표)하고 통계 처리를 적용할 수도 있습니다.

열 및 현미경 사진 제어

두 번째 검사는 치수 변화, 섬유와 매트릭스 사이의 접착/박리, 다공성 및 표면 상태를 포함하여 전 가열 중 테이프의 열적 거동에 영향을 미치는 결함을 평가합니다. 조작. 이 기술은 저전력 레이저 앞에서 테이프를 스크롤하고 열화상 카메라를 사용하여 생성된 온도 변화의 이미지를 캡처하는 것으로 구성됩니다. 가열의 이러한 불균일성은 다공성, 건조 섬유 또는 표면 거칠기가 국부적 열 거동을 수정하는 결함 영역을 식별합니다. 데이터 처리 후 편차를 포함하여 테이프의 열 반응을 공간적으로 나타내는 이미지를 얻을 수 있습니다(그림 2). 여기서 빨간색은 원하는 처리 온도보다 따뜻한 영역을 나타내고 파란색은 차가운 영역을 나타냅니다.

공정 시간(x축) 대 테이프 온도(y축, 그림 2)의 그래프를 표시하는 것도 가능합니다. Cetim은 이러한 결과를 테이프 섹션의 현미경 사진에서 얻은 다공성 측정과 연관시켰습니다. 이들은 테이프를 받았을 때의 단면 및/또는 디지털 현미경으로 관찰한 최종 부품의 단면으로, 섬유 분포, 특정 유형의 결함, 다공성 등과 같은 정성적 정보를 제공합니다. 테이프 온도 간의 상관 관계를 설정하는 데 도움이 되지만 응답 및 부품 품질과 관련하여 이러한 현미경 검사는 비용이 많이 들고 파괴적이며 테이프가 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 분석되지 않고 섹션별로만 분석되도록 합니다.

그러나 Cetim은 이 조사 작업을 완료하여 테이프의 온도 반응 테스트 결과와 현미경 단면 결과를 연관시켰습니다. 이러한 결과는 열가소성 테이프에 대한 이러한 풍부한 제어의 효율성을 보여주며 훨씬 더 효율적인 데이터 처리가 개발되고 있습니다.

인라인 컨트롤

이 제어는 생산 중인 부품이 제조 프로세스 동안 인라인으로 직접 규정을 준수하는지 여부를 결정하는 것으로 구성됩니다. 이 작업은 측정된 온도, 레이저 출력, 테이프 속도 및 테이프의 롤러 압력과 같은 필수 제조 매개변수의 직접 모니터링을 기반으로 합니다. 이 데이터의 디지털 처리는 제조 품질의 시각적 및 자동 합성을 제공합니다.

CETIM은 전체 제작 중 공정 매개변수에 대한 개요를 제공하는 대시보드를 개발했습니다. 데이터 분석은 MATLAB 소프트웨어로 수행되며, 경보 임계값을 구현하고 편차의 원인(예:테이프 품질, 기하학적 불일치 또는 기계 오작동)을 분석하기 위해 범위 밖 영역을 확대할 수 있습니다.

단순한 형상(예:플레이트, 튜브 또는 링)으로 부품 생산을 모니터링하는 데 특히 효과적이라고 합니다. 그러나 복잡한 지오메트리 부품을 생성하는 것은 더 복잡합니다.

박리 테스트

이 최종 검사는 테스트 벤치 전문업체인 LF Technologies(프랑스 Saint-Hilaire-de-Riez)와 공동으로 Cetim이 개발했습니다. 단 몇 분 만에 테이프의 층간 접착력을 평가할 수 있습니다. 측정은 "링"이라고 하는 표본에서 이루어지며, 이 표본은 간단한 튜브 주위에 여러 라운드의 테이프를 감고 제자리에서 통합하여 제조됩니다. 이 통합된 링은 테스트 기계의 왼쪽 드럼에 놓고(그림 3) 오른쪽 드럼을 사용하여 풀립니다. 속도 및 필 각도를 포함하여 여러 매개변수를 조정할 수 있으며 후자는 끝에 롤러가 있는 암을 통해 조정할 수 있습니다. 테스트가 완료되면 자동화된 데이터 처리 시스템이 풀린 테이프의 길이에 따른 박리 에너지 변화를 추출하고 데이터를 그래프로 표시합니다. 이 테스트를 통해 최적의 제조 매개변수를 비교적 빠르고 저렴하게 평가할 수 있습니다.

제품 및 공정 관리 강화

열가소성 프리프레그 테이프의 품질을 제어하면 복합 부품 제조업체가 제품 품질을 제어할 수 있습니다. 이러한 제어 중 하나를 준수하지 않으면 문제의 원인을 파악하여 효과적이고 신속하게 수정할 수 있습니다. 실제로 이러한 검사는 다음과 같은 종류의 품질 보증 순서도를 제공합니다.

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테이프 원료에서 문제가 발생합니까?
제한된 섹션의 현미경 분석과 관련된 치수 및 열 검사를 통해 확인합니다.

제조 단계에서 문제가 발생합니까?
인라인 검사 및 필 테스트를 통해 확인합니다.

이러한 확인을 통해 Cetim은 재료 벤치마크를 효율적으로 완료하여 주어진 애플리케이션에 가장 적합한 테이프를 선택할 수 있습니다. 그림 4의 표는 고성능 복합 재료 응용 분야에 가장 적합한 탄소 섬유/PEEK 테이프를 평가하는 한 가지 예를 보여줍니다. 또 다른 예는 미래 연료 전지 차량용 열가소성 복합 수소 저장 탱크 개발을 위한 저비용 테이프에 대한 Cetim의 평가가 아직 진행 중입니다. Cetim은 현재 열경화성 복합재 압력 용기와 비교하여 열가소성 수지의 상대적 이점을 평가하는 R&D 프로젝트에 참여하고 있습니다. Cetim은 열가소성 원위치 통합 응용 프로그램을 개발하기 위해 전 세계 여러 회사와 민간 연구 계약의 틀 내에서 작업합니다.

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저자 정보

Damien Guillon은 항공 공학 학위와 박사 학위를 취득한 후 2009년에 Cetim에 합류했습니다. 복합 재료의 충돌 거동에 대해. 그는 폴리머 및 복합 재료 팀의 R&D 관리자가 되기 전에 테스트 연구소의 관리자와 복합 재료 설계 전문가로 일했습니다.

Yoann Le Friant와 Luc Poitevin은 기계 공학 석사 학위를 취득한 후 각각 2018년과 2017년에 R&D 프로젝트 관리자로 Cetim에 합류했습니다. Le Friant의 현재 작업에는 폴리머 부품의 수명 예측과 열가소성 테이프 품질 제어가 포함됩니다. 그는 또한 Cetim의 재료 선택 컨설팅을 담당하고 있습니다. Poitevin은 열가소성 공정과 복잡한 기능의 통합을 사용하여 우주 산업을 위한 부품 개발에 참여하고 있습니다.