據(jù)compositesworld網(wǎng)站2019年5月14日刊文，航空航天和汽車行業(yè)都對使用熱塑性預浸帶的應用感興趣，其成品件的質量受到層壓板原料質量的顯著影響。雖然熱塑性預浸帶已經(jīng)使用了數(shù)十年，但隨著許多應用尋求在原位進行固化而不是進一步施加壓力或熱量，對質量的要求日益嚴格。法國工程和先進制造業(yè)研究與技術組織Cetim已經(jīng)開發(fā)出一種用于這些材料質量保證的系統(tǒng)，提高了成品件的質量控制。
·原位固化所需的膠帶質量
Cetim開發(fā)了多種生產(chǎn)熱塑性復合材料零件的技術。一種包括用于熱塑性預浸帶的激光纖維纏繞機。該機床的目標是制造罐和管類應用，迄今為止，這些應用僅限于金屬和熱固性復合材料。
這種熱塑性纏繞工藝基于與熱固性纖維纏繞相同的概念，但具有不同的原位固化步驟。對于熱塑性復合材料，激光——例如與熱塑性預浸帶的自動絲束鋪放(AFP)一起使用的激光——加熱帶的特定區(qū)域以將熱塑性基體加熱至其熔點。在這個熔化溫度區(qū)間中，通過滾筒施加壓力使基體熔化的同時實現(xiàn)帶的固化。在纏繞期間，零件的連續(xù)層被堆疊和固化。
然而，正如業(yè)界在過去十年中在自動鋪放方法的開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)的那樣，為了生產(chǎn)具有可靠特性和性能的零件，有必要了解這些熱塑性帶的熱和物理化學行為。例如，膠帶必須具有恒定的尺寸和非常低的孔隙率，以避免在施加期間的溫度波動，因為這可能導致層之間的不良固化。
因此，為了成功開發(fā)熱塑性復合材料工藝并有效評估原位固化零件的質量，Cetim在整個制造周期內(nèi)制定了四種質量保證檢查措施：尺寸的(已接收)，熱的(已加熱)，在線的(已固化)以及在固化后將預浸帶層剝離所需的能量。
·尺寸控制
首次檢查在使用前進行。其目的是快速評估長度方向上的預浸帶的厚度和寬度。測試機器配備有激光器、用于捕獲反射激光信號的攝像頭和用于測量展開的預浸帶長度的傳感器。檢查過程包括將從出廠的卷軸上的帶展開到空的卷軸上。在此過程中，激光器和攝像頭提供光在跨預浸帶寬度及其完整測量長度上的數(shù)據(jù)。處理軟件解釋數(shù)據(jù)并實時顯示沿x軸的帶寬度和沿y軸的帶厚度的變化圖。這使得我們可以直觀地發(fā)現(xiàn)寬度或厚度缺陷，并且機器軟件在超出尺寸公差時自動顯示警報。在測試完成之后，很容易檢索帶寬度和厚度變化的數(shù)據(jù)，并且還可以應用統(tǒng)計處理。
·熱和顯微控制
第二項檢查評估影響加熱過程中預浸帶熱行為的缺陷(在這種情況下，通過激光)，包括尺寸變化纖維與基體之間的粘附/分層孔隙率和制造前的表面狀況。該技術在低功率激光器前滾動預浸帶并使用熱攝像頭捕獲所產(chǎn)生的溫度變化圖像。通過加熱中的這些不均勻性識別缺陷區(qū)域，因為孔隙率、干纖維或表面粗糙度改變局部熱行為。在數(shù)據(jù)處理之后，可以獲得顯示預浸帶熱響應的空間表達圖像，包括偏差，其中紅色表示更暖的區(qū)域，藍色表示比想要的處理溫度更冷的區(qū)域。
還可以顯示處理時間(x軸)與帶溫度(y軸)的關系圖。 Cetim將這些結果與預浸帶片段的顯微照片的孔隙率測量結果相關聯(lián)。這些是在收到的預浸帶片段和/或在數(shù)字顯微鏡下觀察的成品件的片段，提供定性信息，例如纖維分布、特定類型的缺陷、孔隙率等。雖然有助于建立預浸帶溫度響應和零件質量之間的相關性，但這些顯微檢測是昂貴的、破壞性的，只允許逐段分析預浸帶，而不是在整個長度上連續(xù)分析。
不過，Cetim完成了這項研究工作，將預浸帶溫度響應測試的結果與顯微片段的結果相關聯(lián)。 這些結果表明了對熱塑性預浸帶進行大量控制的有效性，并且正在開發(fā)更高效的數(shù)據(jù)處理方法。
·在線控制
該控制包括在制造過程中，直接在線確定所生產(chǎn)的零件是否符合要求。這項操作基于對基本制造參數(shù)的直接監(jiān)測，例如測量的溫度、激光功率、預浸帶速度和預浸帶上的輥壓力。數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理讓制造質量可視化和自動合成。
CETIM開發(fā)了一個儀表板，可概述整個制造過程中的工藝參數(shù)。使用MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)分析并可實現(xiàn)閾值警報，以及放大超出范圍的區(qū)域從而分析偏差的起源(例如，預浸帶質量、幾何不匹配或機床故障)。
據(jù)說這種方法對于監(jiān)測具有簡單幾何形狀的零件(例如板、管或環(huán))的生產(chǎn)特別有效；但是，對復雜的幾何零件生成分析結果更復雜。
·剝離測試
最終檢查方法由Cetim與測試臺專業(yè)廠商LF技術公司合作開發(fā)，它可以在幾分鐘內(nèi)評估預浸帶的層間粘合力。測量在稱為“環(huán)”的試樣上進行，這些試樣是通過纏繞和將幾圈預浸帶原位固化在一個簡單的管周圍而制成的。然后將這些固化的環(huán)放在測試機器的左側滾筒上并用右側滾筒展開?？梢哉{(diào)節(jié)多個參數(shù)，包括速度和剝離角度，后者通過在其端部具有輥輪的臂來調(diào)節(jié)。 一旦測試完成，自動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)就在展開的預浸帶長度方向上提取剝離能量的變化并繪制數(shù)據(jù)圖形。該測試能夠對最佳制造參數(shù)進行相對快速和低成本的評估。
·增加的產(chǎn)品和過程控制
控制熱塑性預浸帶的質量可以使復合材料部件制造商能夠控制其產(chǎn)品的質量。其中一個控制項的不合規(guī)性可以確定問題的根源，從而可有效和快速地進行修正。實際上，這些檢查提供了各類質量保證的流程圖：
——問題來自預浸帶原料嗎？
通過與有限片段顯微分析相關的尺寸和熱檢查進行驗證。
——問題來自制造階段嗎？
通過在線檢測和剝離測試進行驗證。
通過這些檢查，Cetim可以高效地完成材料基準測試，為特定應用選擇最合適的預浸帶。一個例子評估了用于高性能復合材料應用的最佳碳纖維/ PEEK膠帶。另一個例子，Cetim對低成本預浸帶正在進行評估，用于開發(fā)未來燃料電池運載器的熱塑性復合氫儲罐。Cetim從事研發(fā)項目，評估熱塑性復合材料與現(xiàn)有熱固性復合材料壓力容器相比的優(yōu)勢。Cetim在與全球多家公司的私人研究協(xié)議框架內(nèi)開展工作，以開發(fā)熱塑性原位固化應用。
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